Иммерсионный метод – ультразвуковой метод контроля, при котором объект контроля и преобразователь погружены в жидкость, которую используют как промежуточную среду и (или) преломляющую призму (рис.1).

1 – несплошность / дефект; 2 – донная поверхность; 3 – объект контроля;
4 – иммерсионный преобразователь; 5 – поверхность ввода;

Т – зондирующий импульс; S – эхо-сигнал от поверхности; F – эхо-сигнал от

дефекта / несплошности; B – донный эхо-сигнал

Рисунок 1 – Схема иммерсионного метода контроля [2]

Очень эффективным для обеспечения хорошего акустического контакта является иммерсионный способ ввода ультразвука. В качестве иммерсионной жидкости в большинстве случаев используют воду, в которую добавляют ингибиторы коррозии, а также вещества, улучшающие смачивание. Иммерсионная жидкость не должна содержать воздушных пузырьков [3].

Хочется отметить, что на чувствительность иммерсионного контроля значительно влияет температура рабочей жидкости. При изменении температуры в основном изменяется сжимаемость. Во всех жидкостях, кроме воды, с увеличением температуры сжимаемость растет, и скорость ультразвука падает.

Аналитическое выражение скорости с ультразвука в функции температуры t имеет вид

где с₀ – скорость ультразвука при температуре t₀ и данном давлении p; b‘ – относительный температурный коэффициент скорости ультразвука, град^-1.

На практике часто пользуются видоизмененным аналитическим выражением

где b – абсолютный температурный коэффициент скорости ультразвука, мсек^-1град^-1.

Для всех жидкостей, кроме воды, температурные коэффициенты b^/
и b отрицательны.

Сжимаемость воды с увеличением температуры до некоторой величины t_m падает, а скорость ультразвука растет. При дальнейшем увеличении температуры выше t_m сжимаемость начинает расти, а скорость ультразвука уменьшается.

Таким образом, температурный коэффициент скорости ультразвука положителен при температурах t < t_m и отрицателен при t > t_m. Давление оказывает сравнительно небольшое влияние на скорость ультразвука [4].

Практика показывает, что с изменением температуры окружающей среды меняется чувствительность контроля. Особенно это заметно в летнее время, когда температура окружающей среды растет – чувствительность ультразвукового контроля падает.

Опытный эксперимент. Общие положения

Для установления зависимости изменения амплитуды акустического сигнала от температуры был изготовлен образец из стали 20 (рис. 2).

Рисунок 2 – Образец со сквозным отверстием Ø 3 мм

Данный образец имеет сквозное отверстие диаметром 3 мм c координатами Х1=13,5 мм; У1=25 мм. Шероховатость поверхности ввода ультразвука соответствует Ra=1,25 мкм. Параметр шероховатости поверхности образца был проконтролирован с помощью образцов шероховатости поверхности ОШС №563, точение Ra (3,2-1,2) методом сравнения. В качестве емкости рабочей среды использовался аквариум объемов 10 литров с габаритными размерами ДХШХВ (298Х140Х240). В качестве ультразвукового излучателя использовался новый преобразователь ультразвуковой П211-2,5-20 №184017, который закреплялся в оправку из фторопласта (рис. 3).

Рисунок 3 – Преобразователь ультразвуковой П211-2,5-20

Оправка фиксировалась в опорном основании, которое было изготовлено из трубы с наружным диаметром 27 мм приваренной при помощи электродуговой сварки к пластине размером 108Х108 толщиной 2 мм.

Преобразователь ультразвуковой П211-2,5-20 (производитель ООО «Алтек») подключался к дефектоскопу УД2-102ВД «ПЕЛЕНГ» зав.№8215. В качестве контактной среды использовалась техническая вода. Источник нагревания технической воды – терморегулятор аквариумный мощностью 200 Вт.

В ходе проведения всего эксперимента изменялась только температура при помощи терморегулятора. Температура контролировалась с помощью жидкостного термометра марки СП-2 с ценой деления 1 гр. в диапазоне измерения температур от 0 до 100 градусов. На начальном этапе температура воды численно равнялась 17 °С. Общая картина эксперимента с использованием в качестве среды технической воды представлена на рис. 4.

Рисунок 4 – Общий вид эксперимента

    Прямой пьезоэлектрический преобразователь с рабочей частотой 2,5 МГц устанавливался в воду на расстояние 58 мм от контролируемого образца. Изменением длительности развертки и усиления ультразвукового дефектоскопа получали на экране ультразвукового дефектоскопа изображение первого отраженного эхо-сигнала от стенки образца, при этом эхо-сигнал от отверстия 3 мм располагался в непосредственной близости от него по центру экрана прибора, представленного на рис. 5.

1 – сигнал первый отраженный от поверхности образца; 2 – сигнал от отверстия 3 мм;
3 – зондирующий импульс; 4 – донный эхо-сигнал; 5 – расстояние до отверстия 3 мм;
6– усиление дефектоскопа
Рисунок 5 – Вид экрана дефектоскопа УД2-102ВД при температуре технической воды 23 градуса

Настройка ультразвукового дефектоскопа УД2-102ВД производилась в соответствии с параметрами табл. 1.

Таблица 1 – Параметры дефектоскопа УД2-102ВД

При помощи кнопок усиления дефектоскопа в соответствии с [5], [6] доводили сигнал от отверстия 3 мм до браковочного уровня, что составляет 50 % экрана. Относительно браковочного уровня фиксировали все отклонения (амплитуду и значение глубиномера дефектоскопа) в зависимости от температуры среды.

Зависимость изменения амплитуды сигнала в технической воде

В ходе эксперимента был произведен равномерный нагрев образца в интервале от 17 до 38 °С с шагом 1 °С, который контролировался термометром. После каждого изменения температуры среды (технической воды) с помощью ультразвукового дефектоскопа фиксировались изменения амплитуды эхо-сигнала от отверстия 3 мм относительно браковочного уровня (50% экрана). Результаты эксперимента приведены в табл. 2.

Таблица 2 – Полученные результаты эксперимента с технической водой

В результате были получены данные в виде зависимости амплитуды сигналы от температуры среды (рис. 6). После чего была выполнена аппроксимация полученных результатов (достоверность аппроксимации R² = 0,989) и найдено уравнение, описывающее зависимость изменение амплитуды акустического сигнала от температуры среды.

Рисунок 6 – Зависимость амплитуды сигнала (от отверстия 3 мм в образце) в зависимости от температуры среды

Падение чувствительности дефектоскопа относительно браковочного уровня (50 % экрана) в зависимости от температуры приведено на рис.7.

Рисунок 7 – Зависимость падения чувствительности от температуры среды

Зависимость показаний глубиномера L дефектоскопа от температуры T среды приведена на рис. 8.

Рисунок 8 – Зависимость показаний глубиномера дефектоскопа от температуры среды

Как видно из графиков с увеличением температуры технической воды растет усиление дефектоскопа, а показания глубиномера падают. Если при температуре 23°С расстояние до отверстия в образце составляло 69,5 мм при усилении 56 дБ по показанию глубиномера дефектоскоп, представленного на рис.6, то при температуре 38 °С расстояние до отверстия фиксировалось 68 мм при усилении 66 дБ. Вид экрана дефектоскопа при температуре технической воды 38 градусов представлен на рис. 9.

Рисунок 9 – Вид экрана дефектоскопа УД2-102ВД при температуре технической воды 38 градусов

Зависимость амплитуды сигнала от температуры технической воды описывается уравнением, приведенным ниже

где N – амплитуда эхо-сигнала от отверстия 3 мм; T – температура среды (технической воды).

Заключение. Эксперимент представлен только для одного типа преобразователя П211-2,5-20 (марки ООО «Алтек») в условиях постоянного расстояния между преобразователем и объектом контроля. Поэтому целесообразно проводить такие исследования для большого количества преобразователей с различными параметрами (диаметр пьезопластины, частота ультразвуковых колебаний).

В данной работе была установлена зависимость амплитуды эхо-сигнала от сквозного отверстия 3 мм от температуры технической воды, которая использовалась в качестве контактной среды. Эксперимент показал, что с увеличением температуры воды падает показание глубиномера и чувствительность контроля. При температуре технической воды 38 градусов усиление дефектоскопа относительно браковочного уровня составила -13дБ (знак минус говорит о том, что амплитуда сигнала от отверстия 3мм снизилась на 13 дБ или в 4,5 раза). Стоить отметить, что с увеличением температуры воды, растет уровень помех (уровень «шума»), в массиве которого может быть спрятан «полезный» сигнал от дефекта.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что при использовании технической воды в качестве контактной среды велика вероятность пропуска дефекта. В условиях повышения температуры окружающей среды в помещениях, где отсутствует кондиционер (например, в летнее время, когда утром еще прохладно, а после обеда жарко) настройку браковочной чувствительности необходимо делать неоднократно за смену. В свою очередь процесс настройки браковочной чувствительности дефектоскопа процесс трудоемкий, что сказывается на производительности контроля и усталости дефектоскописта.

Поэтому использование в ультразвуковом иммерсионном контроле контактной жидкости, которая в меньшей степени зависела бы от температуры окружающей среды, является актуальной задачей на сегодняшний день.