Повышение достоверности УЗК, проводимого в широком диапазоне температур с использован

Об авторах
Сотрудники ЗАО «Константа»:

Необходимо войти для просмотра
Сясько
Владимир Александрович
Генеральный директор, к. т. н.

Необходимо войти для просмотра
Синицкий
Григорий Валентинович
Зам. директора, ведущий специалист, II уровень по УЗК.

Необходимо войти для просмотра
Попов
Александр Анатольевич
Зам. директора.

Одной из проблем при проведении контроля существующими преобразователями с призмами из оргстекла в широком диапазоне температур является изменение угла ввода луча [1]. Оптимальным путем решения этой проблемы является подбор полимерного материала с высокими термостабильными свойствами.

Изменение температуры твердых тел с моноатомной элементарной ячейкой кристаллической решетки приводит к изменению их теплоемкости и объема [2]. В соответствии с законом теплоемкости Дебая существует термодинамическая связь между теплоемкостью материала и скоростью распространения ультразвука в нем.

Применительно к рассматриваемому случаю, в силу различной теплоемкости металла и оргстекла (теплоемкость металла ~ 640,57 Дж/кг-К, оргстекла ~ 1590 Дж/кг-К), изменение скорости звука в них будет различно при изменении температуры окружающей среды, что приводит к изменению угла ввода ультразвукового луча. В свою очередь, теплоемкость в соответствии с первым началом термодинамики прямо пропорциональна объему и, как следствие, пропорциональна коэффициенту линейного теплового расширения Кл.

Таким образом, можно сделать вывод, что ключевым требованием при выборе материала призмы является то, чтобы он при приемлемых акустических параметрах имел коэффициент Кл, как можно более близким к Кл объекта контроля (для большинства конструкционных материалов параметр Кл является расчетным и нормируемым при их разработке). Рабочая температура выбираемого материала должна быть существенно больше плюс 50 °С.

По сформулированным требованиям были изготовлены четыре образца материалов на основе наполненных полимеров, у которых Кл варьировался в диапазоне от 25х10-6 град-1 до 50х10- 6 град-1 (у стали и оргстекла Кл ~ 12х10-6 град-1 и 65х10-6 град-1, соответственно [3]), рабочий диапазон температур до 250 °С (у оргстекла ~ 70 °С). Из них по результатам исследований акустических свойств и анизотропии был выбран наиболее подходящий (условно обозначенный материал № 2, у которого Кл = 30х10-6 град-1). Результаты изменения скорости ультразвука и затухания представлены на рис. 1. Изменение затухания в образце № 2 оказалось на 8 дБ меньше чем в оргстекле.


Характер зависимостей подтверждает правильность принципов выбора материала по его параметрам назначения как конструкционного.

На основании проведенных экспериментов были изготовлены преобразователь из оргстекла П121-2,5-70 и макет преобразователя с призмой из материала № 2 П121-2,5-70 с углами ввода 70° по стали (Ст20) при температуре 15 °С.

Для измерения угла ввода при различной температуре использовался стандартный образец СО-2. Измерения проводились в среде теплоносителя KFS 2001 PLUS в криостате жидкостном ТЖ-ТС-01. Результаты измерений представлены на рис. 2.


Выводы

1. Проделанные эксперименты подтвердили предположение о том, что изменение скорости ультразвука в материалах, а следовательно и изменение угла ввода, пропорционально их коэффициентам линейного температурного расширения (Кл материала № 2 примерно в два раза меньше чем у оргстекла, и примерно в два раза меньше изменение угла ввода при существенно меньшем затухании);

2. Свойства материала № 2 позволяют обеспечить требования ГОСТ 26266-90 для преобразователей с большими углами ввода в температурном диапазоне от минус 40 °С до плюс 50 °С (в частности, для ультразвуковых съемных средств сплошного контроля рельсов на базе ПЭП с углом ввода 70°).
Авторы выражают благодарность профессору А. К. Гурвичу за помощь при постановке задачи исследований, обсуждении полученных результатов и написании этой статьи.

Литература

1. Гурвич А. К., Кузьмина Л. И., Николаев С. В. Осторожно! Угол ввода луча α0 = 70°? - В мире НК. 2006. № 4(34). С. 48-50.
2. Китель Ч. Введение в физику твердого тела.- М.: Наука, 1978. - 790 с.
3. Кошкин Н. И. и Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1976.- 255 с.

Сясько В.А., Синицкий Г.В., Попов А.А. Повышение достоверности УЗК, проводимого в широком диапазоне температур с использованием наклонных преобразователей. − В мире НК. – Декабрь 2007 г. − № 4 (38). − С. 46−47. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.