Краткий обзор
Cварные соединения разнородных металлов и другие материалы с высоким уровнем шума могут быть измерены путем традиционного УЗК или с использованием преобразователей продольных волн приема-передачи (TRL). Усовершенствованный метод контроля предполагает использование раздельно-совмещенных матричных ПЭП (DMA) Olympus и технологии фазированных решеток (ФР) для электронного управления и фокусировки акустических лучей в материале.
Проблематика
Сварные соединения разнородных металлов и аустенитных сталей сложно проверить ультразвуковым методом. Контроль еще более осложняется в случае одностороннего доступа к объекту, поскольку анизотропия материала сварного шва провоцирует рассеяние ультразвуковых лучей.
В этом случае, чаще всего используют раздельно-совмещенные преобразователи TRL с излучающим и принимающим элементами, разделенными звукоизоляционным материалом. Конфигурация углов отклонения и скоса позволяет сфокусироваться на одной точке объекта, создавая псевдо-фокусировку. Преобразователи TRL устраняют интерфейсный эхо-сигнал, исключают мертвые зоны, вызванные эхо-сигналами от призм, сокращают отражённые (обратно-рассеянные) сигналы и позволяют использовать более высокий коэффициент усиления.
Недостаток TRL-преобразователей в том, что они имеют фиксированный угол ввода луча и псевдо-фокальную точку, поэтому при стандартном контроле может потребоваться несколько таких преобразователей для покрытия всего диапазона конфигураций.
Решения
Преобразователи DMA Olympus, в комбинации с дефектоскопом OmniScan® или FOCUS PX™, используют ультразвуковые фазированные решетки (вместо традиционного ультразвука) для обеспечения расширенного диапазона контроля крупнозернистых аустенитных сплавов, сплавов Инконель и сварных швов. Преобразователи DMA сочетают преимущества S-скана сфокусированных продольных волн и режима Р-С для выявления продольных дефектов.
Представленный здесь метод контроля DMA использует два типа стандартных ПЭП — преобразователь 2,25 МГц и преобразователь 4 МГц — которые представляют готовое решение для контроля широкого спектра аустенитных материалов и кромок сварных швов, в т.ч. сварные соединения разнородных металлов и сварные соединения из коррозионно-стойких сплавов (CRA).
Описание оборудования
Преобразователь DMA A17 Olympus (2,25 МГц) имеет «крупноэлементную» конфигурацию из 4×7 элементов в каждом корпусе и оптимизирован для контроля толстых материалов и материалов с высоким уровнем затухания. Каждая матрица имеет апертуру 12×19 мм. Поскольку преобразователь A17 DMA содержит 4 элемента на вторичной оси, фокусирование луча может регулироваться электронным образом с использованием плоской призмы, без необходимости механического угла скоса призмы. |  |  |
Преобразователь DMA A27 Olympus (4 МГц) представляет конфигурацию из 2×16 мелких элементов в каждом корпусе и оптимизирован для контроля тонких материалов и материалов с низким уровнем затухания. Каждая матрица имеет апертуру 6×16 мм. Поскольку преобразователь A27 DMA содержит только два элемента на вторичной оси, требуется механический угол скоса призмы для каждого диаметра трубы или фокуса. |  |  |
 | Элементы TX и RCV звукоизолированы в призме, поэтому не обязательно использовать материал с высоким уровнем затухания и большое расстояние до поверхности. Призма DMA (небольшого размера) способна расширить глубину фокусировки и диапазон преобразователя, обеспечивая лучшее ОСШ и больший путь УЗ. Это существенное преимущество перед большими призмами, которые могут потерять значительное количество энергии по причине затухания в призме, например, в случае использования одномерных линейных матричных ПЭП при контроле в режиме импульс-эхо продольными волнами. |
Результаты теста
Объемный контроль был выполнен с использованием преобразователя DMA A17 с призмой DN55L, генерирующего продольные волны под углом 55 град. «Крупноэлементная» конфигурация преобразователя A17 (2,25 МГц) подходит для контроля толстых материалов с высоким коэффициентом затухания (в данном случае, Inconel и нерж. сталь 316). Для охвата объема и корневой зоны сварных швов на тестируемых образцах был использован сфокусированный на 30–75 гр. S-скан. |  |
В ходе контроля образца из стали Inconel был использован преобразователь A17 с целью выявления риски EDM (2 мм) в материале из коррозионно-стойкого сплава Inconel CRA (толщиной 25 мм) через плакированный слой. Курсоры дефектоскопа OmniScan были использованы для определения длины риски на экране C-скана, и для измерения глубины и высоты риски на развертках A-скан и S-скан. Дельты курсора и тригонометрия были отображены в строке заголовка OmniScan и сохранены в таблице показаний, созданной на базе этого заголовка.
В случае контроля образца из нерж. стали 316, был использован преобразователь A17 для выявления бокового цилиндрического отверстия (SDH) длиной 3 мм и глубиной 25 мм в сварном шве калибровочного образца из SS316 толщиной 50 мм. Затухание в сварном шве увеличилось на 12 дБ по сравнению с основным материалом вокруг сварного шва. |  |
Единственным преимуществом преобразователя A17 является возможность отклонения луча от оси, что позволяет направлять лучи, генерирующие S-скан, в другую сторону, нежели просто напротив ПЭП. Это было возможно только с преобразователем A17, поскольку он имеет достаточное количество элементов (четыре) на вторичной оси. (Преобразователь DMA A27 не способен управлять лучом, поскольку имеет только два элемента на вторичной оси.)
Первичная цель внеосевых S-сканов – выявление и измерение продольных и поперечных межкристаллитных стресс-коррозионных трещин (IGSCC) сварных соединений труб из аустенитной стали. Максимальный угол отклонения луча от оси определяется числом элементов на вторичной оси преобразователя, а также размером элементов и частотой. Несмотря на то, что преобразователь A17 позволяет отклонять луч на 45° с использованием плоской призмы, максимальный угол отклонения и осевой наружный диаметр (AOD) уменьшаются при использовании призм AOD.
 |  |
Преобразователь A27 DMA был использован для объемного и поверхностного контроля других сварных образцов из сплава Inconel. (Поверхностный контроль предполагает выявление, измерение и оценку дефектов, расположенных на небольшой глубине, вблизи наружной поверхности сварного шва.) Преобразователь A27 (4 МГц), содержащий элементы небольшого размера, хорошо подходит для контроля тонких материалов, с низким коэффициентом затухания. Может использоваться призма DN55L или DNCR. В данном случае была выбрана призма DNCR, поскольку она более универсальна и подходит как для объемного, так и для поверхностного контроля. Конфигурация призмы DNCR оптимизирована для поверхностного контроля, когда толщина кромок сварного шва меньше 25 мм. Поверхностный контроль проводится в комбинации с объемным контролем, обеспечивая полный охват всего объема сварного соединения.
В ходе объемного контроля был использован преобразователь A27 с призмой DNCR для контроля сварного шва из коррозионно-стойкого сплава (CRA) на базе S-скана 30–80°, сфокусированного по УЗ-пути длиной 30 мм. Скорость распространения продольной волны в сплаве Inconel 625 (сварной шов) составляет 5830 м/с, а скорость звука в углеродистой стали (основной материал) – 5890 м/с. Разница в скорости распространения звука вызвала незначительное изменение угла луча на границе шва. Точность построения глубины и высоты зависело от точности определения значений скорости звука в основном материале и материале сварного шва.
Преобразователь A27 показал высокое ОСШ на удаленной стороне кромки обнаруженного дефекта. Дефект был правильно нанесен на карту в соответствии с его известной глубиной и положением на линии сварного шва. Глубина дефекта (DA) была измерена с использованием A-скана самой высокой амплитуды. Тригонометрические показания строба для пути УЗ (SA), глубины (DA), расстояния ПЭП (PA) и пространственного положения 0° на оси индексирования (VIA) были все правильно обозначены на графике. |  |
Для поверхностного контроля, преобразователь A27 был установлен на высокий угол, показатель первого отрезка. A27 был сконфигурирован с использованием S-скана высокого угла (приблизительно 70°–85°) с коротким фокусом. Выше 70–75°, все лучи A-скана, как правило, распространяются параллельно поверхности со скоростью продольной волны. Это позволило определить поверхностные SDH, риски и другие дефекты. Форма верхушки сварного шва не повлияла на результаты поверхностного контроля.
 | В сварном образце из сплава Inconel 625, с помощью преобразователя A27 с призмой DNCR была выявлена поверхностная риска EDM глубиной 1 мм и длиной 10 мм на расстоянии более чем 20 мм от фронта призмы. |
 | В сварном образце диам. 152 мм из сплава Inconel 800, с помощью преобразователя A27 с призмой DNCR было обнаружено три неглубоких дефекта и один дефект по наружному диаметру. |
Заключение
Стандартные раздельно-совмещенные матричные преобразователи Olympus — на 2,25 МГц (A17) и 4 МГц (A27) — могут значительно улучшить возможности дефектоскопа OmniScan или Focus PX при контроле аустенитных сталей и сплавов Inconel, а также сварных соединений.
«Крупноэлементная» конфигурация 4×7 преобразователя A17 идеально подходит для контроля толстых и аустенитных материалов с высоким уровнем затухания. Преобразователь DMA A27, состоящий из более мелких элементов 2×16, оптимизирован для контроля тонких и аустенитных материалов с низким уровнем затухания.
Совместимые с OmniScan преобразователи DMA представляют собой дополнительный инструмент ФР-контроля, как для новичков так и для продвинутых пользователей.
В образце из сплава Inconel 625, преобразователь A27 с призмой DNCR обнаружил поверхностную риску EDM глубиной 1 мм и длиной 10 мм на расстоянии более чем 20 мм от фронта призмы.
