Серия призм с фокусировкой по пассивной оси (PAF)

Simon Alain
Nicolas Badeau
 

Фазированные фокусирующие призмы позволяют снизить процент отбраковки при проведении контроля за счет улучшения разрешения для определения длины дефекта

Часто проверка параметров акустических настроек выполняется на плоских блоках или пластинах, даже если последующий ультразвуковой контроль проводится на искривленных поверхностях. Поскольку на ультразвуковой пучок влияет радиус кривизны различных границ раздела сред (например, граница раздела призма-деталь и граница донной поверхности), эхо-сигнал от дефекта, измеренного на пластине, может сильно отличаться от эхо-сигнала, измеренного на трубе. Чтобы решить эту проблему, компания Olympus разработала и запатентовала серию призм с фокусировкой по пассивной оси (PAF).

Когда ультразвуковой пучок распространяется по искривленной поверхности, граница раздела сред выступает в качестве собирающей или рассеивающей линзы, в зависимости от соотношения скоростей сред. В большинстве типовых случаев неразрушающего контроля ультразвук проходит из среды с низкой скоростью (например, призмы из материала Rexolite) к среде с высокой скоростью (например, углеродистая сталь) через выпуклую границу раздела, например, через внешнюю поверхность трубы. В результате возникает эффект рассеивающей линзы, что приводит к увеличению ширины пучка. На рисунке ниже (см. Рис. 1) показаны моделирование луча (с использованием программного обеспечения CIVA™) и различия между лучом по пассивной оси на плоской поверхности (слева) и его эквивалентом при входе в поверхность с наружным диаметром (НД) 4,5 дюйма (114,3 мм) (справа). Первая среда — Rexolite (скорость волны давления составляет 2330 м/с), а вторая среда — углеродистая сталь (скорость волны сдвига составляет 3240 м/с).

Рис. 1 Моделирование луча в плоской пластине (слева) и в трубе с НД 4,5 дюйма (114,3 мм) (справа)

Как показано на Рис. 2, поверхность внутреннего диаметра (ВД) (или внутренней стенки) трубы выступает в качестве еще одной рассеивающей линзы, дополнительно увеличивающей ширину пучка.

Рис. 2 Траектория расхождения луча для стандартной призмы (слева) и фокусирующей призмы PAF (справа))

Важность ширины пучка для измерения протяженности индикации

В большинстве случаев неразрушающего контроля, включая контроль кольцевых сварных швов, направление сканирования идет вдоль пассивной оси ФР-преобразователя, а измерение длины дефекта выполняется с помощью кодирующей системы. Наиболее часто используемым методом определения размера дефекта на основе амплитуды является метод уменьшения амплитуды на 6 дБ. Преимущество данного метода заключается в том, что ширина луча не влияет на длину дефекта. Однако это верно только в том случае, если длина дефекта больше ширины луча. Если измеренная длина дефекта короче ширины луча, то она будет соответствовать самой ширине луча. Например, самый короткий отражатель, который можно измерить лучом шириной 5 мм, имеет длину 5 мм. Это означает, что все отражатели длиной менее 5 мм будут считаться равными 5 мм.

Фокусирующие ФР-преобразователи

Конструкция стандартных ФР-преобразователей изначально включала в себя с плоские элементы в силу их простоты и универсальности. Некоторые преобразователи, специально предназначенные для контроля небольших диаметров, имеют изогнутые элементы (например, вогнутые с кривизной по высоте [CCEV]), чтобы компенсировать некоторые расхождения, возникающие на границах раздела деталей. Однако это значение кривизны является постоянным и, следовательно, не оптимизировано для широкого диапазона диаметров.

Новая фокусирующая призма Компания Olympus разработала и запатентовала [US9952183] технологию призм, которые позволяют выполнять оптимальную фокусировку луча для определенных диаметров труб. Серия призм с фокусировкой по пассивной оси (PAF) выполнена из двух материалов с различными аккустическими скоростями. Граница раздела между материалами имеет форму собирательной линзы. Верхняя поверхность призмы плоская, что позволяет использовать любой стандартный преобразователь. Призмы PAF, используемые для труб небольшого диаметра, имеют меньшие радиусы линз для большей фокусировки, в то время как призмы большого диаметра снабжены линзами большего радиуса.

Рис. 3 Призма с фокусировкой по пассивной оси (PAF)

Результаты эксперимента

Были изготовлены два образца с вертикальными сквозными отверстиями диаметром 1 мм, находящимися на разном расстоянии друг от друга. Используемые образцы и призмы показаны на Рис. 4. Первый образец представляет собой пластину (слева), а второй — полутрубу (справа) с наружным диаметром 4,5 дюйма (114,3 см). Для получения данных по пластине использовалась стандартная призма из материала Rexolite (SA31-N55S-IHC) с плоской нижней гранью, а для получения данных по изогнутому образцу — две другие призмы с изогнутой нижней гранью, соответствующей диаметру полутрубы. Одна из изогнутых призм представляла собой стандартную модель из материала Rexolite (SA31-N55S-IHC-AOD4.5), а другая — композитную фокусирующую призму PAF (SA31-N55S-PAF18-AOD4.5) с радиусом линзы 18 мм.

Рис. 4 Образец пластины со стандартной плоской призмой (слева) и образец полутрубы со стандартной призмой и с призмой PAF (справа)

Цель эксперимента состояла в том, чтобы измерить ширину пучка, полученного с помощью трех различных призм, используя угловой отражатель сквозных отверстий на ВД (прямое попадание) и НД (однократное отражение) с помощью метода уменьшения амплитуды на 6 дБ.

Для всех трех призм использовалась одна и та же ультразвуковая настройка: линейное сканирование под углом преломления 55 градусов (естественный угол призмы) поперечной волной с активной апертурой восемь элементов с использованием преобразователя 5L32-A31. Характеристики апертуры преобразователя, следующие:

• 32 элемента
• Шаг 0,6 мм
• Активная зона 19,2 мм
• Подъем 10 мм

На Рис. 5 показана связь между развертками C-скан, S-скан и отслеживания лучей. Слева, в интерфейсе ПО NDT SetupBuilder™, показаны нижние лучи, ударяющие угловой отражатель НД после отражения от внутренней стенки, и верхние лучи, ударяющие угловой отражатель ВД. На развертке S-сканирования (в центре) угловой отражатель ВД находится выше углового отражателя НД, поскольку сигнал от него приходит раньше по времени. На развертке C-сканирования (справа) угловые отражатели НД и ВД находятся друг над другом для каждого сквозного отверстия в направлении сканирования.

Рис. 5: Связь между изображениями C-сканирования, S-сканирования и отслеживания лучей

Первый набор данных (см. Рис 6) был получен с помощью стандартной призмы на плоской пластине. Хоть отражатели и не являются совсем одинаковыми, легко обнаружить различные угловые отражатели семи сквозных отверстий. Амплитуда от отражателей ВД и НД одинакова. При использовании метода уменьшения амплитуды на 6 дБ измеренная ширина луча составила 5,0 мм на ВД и 4,1 мм на НД. Результаты приведены в Табл. 1.

Рис. 6: Развертки А-, S- и С-сканирования данных, полученных с помощью стандартной призмы на плоской пластине

На Рис. 7 показан второй набор данных, полученный с помощью стандартной призмы на образце полутрубы с НД 4,5 дюйма (114,3 мм). Амплитуда сигнала и изображение дефекта на развертке С-сканирования хуже по сравнению с предыдущими результатами. Трудно определить количество отдельных отражателей, присутствующих в образце. Измеренная ширина луча составила 5,7 мм на ВД и 7,5 мм на НД. Ширина луча 7,5 мм означает, что измеренная длина всех отражателей будет составлять не менее 7,5 мм. В соответствии, например, со стандартом ASME B31, который гласит, что максимальная допустимая длина дефекта составляет 6 мм или 6,4 мм в зависимости от поправки к стандарту, все отражатели, обнаруженные с помощью этой настройки, будут отбракованы.

Рис. 7: Развертки А-, S- и С-сканирования данных, полученных с помощью стандартной призмы на трубе с НД 4,5 дюйма (114,3 мм)

Третье и последнее сканирование (см. Рис. 8) было получено с помощью призмы PAF на образце полутрубы с НД 114,3 мм. Развертка С-скан значительно улучшилась по сравнению со стандартной призмой (см. Рис. 8). Кроме того, общее изображение даже более четкое, чем изображение, полученное на плоской пластине. Измеренная ширина луча составила 3,5 мм на ВД и 4,2 мм на НД.

Рис. 8: Развертки А-, S- и С-сканирования данных, полученных с помощью призмы PAF на трубе с НД 4,5 дюйма (114,3 мм)

Иные воздействия линзы на ультразвуковой сигнал

Материал, используемый для создания эффекта линзы в призме PAF, был выбран так, чтобы его акустический импеданс был максимально близким к импедансу материала Rexolite, с целью избежать акустических вибраций в тонком верхнем слое, но с достаточно малой разницей в аккустической скорости для обеспечения фокусировки луча.

Испытание было проведено для определения разницы в требуемом коэффициенте усиления между новой серией призм PAF и стандартной серией призм, когда амплитуда отражателей установлена на определенном уровне. Сканирование проводилось с помощью двух призм, стандартной и PAF, с использованием режима 250% в дефектоскопе OmniScan™ MX2 на двух отверстиях образца полутрубы. При последующей обработке числовой коэффициент усиления корректировался таким образом, чтобы высота каждого отражателя достигала 80% полной высоты экрана. В Табл. 2 представлены конечные значения коэффициента усиления в децибелах для каждой комбинации "отражатель – призма". Обратите внимание, что уровни усиления, необходимые для призмы PAF, ниже, чем для стандартной призмы, вероятно, из-за фокусировки ультразвуковой энергии.

Заключение

Эксперимент наглядно продемонстрировал отрицательное влияние кривизны детали на разрешающую способность при измерении длины индикации (дефекта). Благодаря новой серии призм PAF расходимость луча, вызванная наружной кривизной объекта контроля, можно компенсировать с помощью простого решения, совместимого со стандартными ФР-преобразователями. Ввиду меньшей итоговой ширины луча, новая серия призм PAF позволяет измерять более мелкие дефекты и получать более четкие изображения для упрощения интерпретации данных и снижения процента отбраковки.

Справочные материалы

Данные о регистрации патента: Номер публикации: US9952183. Номер заявки: US14/851739