Контроль высокотемпературных компонентов (до 150 C) с помощью нового решения Olympus на фазированных решетках

Введение

Ультразвуковой контроль фазированными решетками на горячих поверхностях представляет определенные трудности. Пьезоэлементы и внутренние соединения типичных фазированных преобразователей чувствительны к тепловому воздействию и могут быть повреждены из-за высокой температуры. Чтобы решить эту проблему, Olympus разработал новый инструмент для проведения ручного контроля фазированными решетками при температурах, достигающих 150 °C.

Проблематика

При нагревании ФР-преобразователей, пьезоэлектрические элементы и электрические соединения могут быть повреждены. Наши испытания показали, что типичные фазированные преобразователи полностью отказывают при достижении 80 °C. Для безопасной работы ФР-преобразователя температура не должна превышать 60 °C.

Изоляция, теплоотвод и охлаждение – три важных фактора, которые необходимо учитывать в конструкции призмы для предотвращения перегрева элементов преобразователя. Кабель преобразователя также должен быть огражден от исследуемой горячей детали.

Скорость распространения звука в призме и материале компонентов изменяется вместе с температурой, и может повлиять на расчеты законов фокусировки и перемещение индексной точки, что, в свою очередь, приводит к ошибкам позиционирования при определении местоположения отражателей. Затухание ультразвукового сигнала и изменение частоты также должны учитываться.

Решение

Olympus разработал новую серию призм, позволяющих проводить контроль при высоких температурах, вплоть до 150°C. Для подтверждения эффективности данных призм, было выполнено лабораторное тестирование с использованием дефектоскопа OmniScan MX2, сконфигурированного для секторного сканирования поперечной волной от 40° до 70°. Это типичная конфигурация для контроля сварных соединений фазированными ПЭП.

Призмы изготовлены из аморфной термопластичной полиэфиримидной смолы ULTEM™. Данный материал обладает повышенной термической стойкостью, сопротивлением и жесткостью, благодаря высокой (близкой к 200 °C) температуре стеклования.

Были спроектированы две модели призм для данного приложения; эти призмы можно приобрести уже сейчас — SA31C-ULT-N55S-IHC и SA32C-ULT-N55S-IHC. Призмы имеют крепежные отверстия для установки кодировщика Mini-Wheel Olympus, позволяющего выполнять кодированное сканирование. Относительно простые в изготовлении, другие серии призм Olympus могут также быть выполнены из материала ULTEM. Однако, не забывайте, что теплоотвод также зависит от геометрических параметров призмы, поэтому прежде чем делать запрос на изготовление специальной призмы, проконсультируйтесь со специалистом Olympus.

Преобразователь Olympus, установленный на призму ULTEM.

Лабораторные тесты были выполнены на горячих компонентах при 150 °C. Дефектоскоп OmniScan MX2 был использован для выполнения типичного секторного сканирования поперечной волной от 40° до 70° с разрешением 1 град. Для обеспечения акустического контакта между ПЭП и призмой использовался глицерин, а для обеспечения акустического контакта между призмой и исследуемым компонентом – высокотемпературная контактная жидкость.

Артикульные номера высокотемпературного оборудования

Примечание: Указанные выше пользовательские ФР-призмы были специально спроектированы для конкретных приложений. Если на практике задачи будут сильно отличаться от намеченных ранее, эти призмы могут не подойти и возможно потребуются некоторые изменения. За дополнительной информацией обращайтесь: eto@olympus-ossa.com.

*В типичных случаях УЗК и измерения толщины изделий используется тонкий слой контактной жидкости; в открытой среде, небольшое количество сформировавшегося газа быстро рассеивается. Однако, если есть риск самовозгорания газа, эта контактная жидкость не должна использоваться выше определенной температуры.  

Результаты

Преобразователи разной частоты были протестированы для оценки смещения центральной частоты, обусловленного использованием материала ULTEM. При комнатной температуре, центральная частота преобразователей на 2,25 МГц остается той же, а центральная частота ПЭП на 5 МГц уменьшается до 4 МГц. Самое кардинальное изменение центральной частоты произошло с преобразователями 7,5 МГц, где она уменьшилась до 5 МГц. Соответственно, ПЭП с частотой 5 МГц не должны использоваться с призмами ULTEM. Тесты, выполненные с помощью преобразователей 5 МГц при 150 °C, показали сильное понижение центральной частоты до 3 МГц.

Тогда как теплоизоляционные свойства ULTEM используются для защиты преобразователя от нагревания, теплоотвод также важен для продолжительного времени контроля. При комнатной температуре 25 °C, призма может оставаться на поверхности, нагретой до 150 °C, максимум 10 минут. Также требуется 10 минут на охлаждение преобразователя и призмы. После этого периода, структурного разрушения призмы или ПЭП замечено не было.

Значительного затухания ультразвукового сигнала, при достижении температуры объекта 150 °C, не наблюдается, при условии, что качество акустического сигнала между призмой и поверхностью объекта сохраняется. Пользователи должны уделять особое внимание на обеспечение должного акустического контакта. При использовании преобразователя 5 МГц с призмами ULTEM, наблюдается затухание сигнала 4 дБ, что обычно считается допустимым.

С увеличением температуры от 24 °C до 150 °C, скорость распространения ультразвука в материале призмы ULTEM снижается с 2470 м/с до 2270 м/с, а скорость поперечной волны в стали — с 3240 м/с до 3103 м/с. В результате, при использовании законов фокусировки, рассчитанных с помощью значений скорости при комнатной температуре, мы заметили небольшие колебания точки ввода луча и небольшое смещение угла преломления при достижении 150 °C. Даже если эти смещения минимальны, они должны учитываться для более точного определения положения отражателей при высокой температуре, в зависимости от квалификационных требований контроля. Расчет законов фокусировки с помощью известных значений скорости звука при рабочей температуре устраняет эти ошибки. Чтобы еще больше минимизировать потенциальные ошибки вследствие изменения скорости звука, Olympus определил угол призмы для получения желаемого номинального угла преломления в стали при 100 °C путем установки скорости звука в материале ULTEM на 2340 м/с. 

При комнатной температуре, сигнал обнаружения достигает максимального значения с поперечной волной 60° и усилением 45 дБ.

При 150 °C, сигнал обнаружения достигает максимального значения с поперечной волной 63°, усилением 49 дБ и УЗ-путем 33,6 мм.

Важное примечание:

Для обеспечения структурной целостности ПЭП и призм, оборудование должно использоваться не более 10 минут за один прием; повторное использование оборудования возможно лишь после 10 минут охлаждения. Данный рабочий цикл установлен на основе максимальной комнатной температуры 25 °C. Пользователи должны правильно определить цикл работы, соответствующий рабочим условиям, если комнатная температура превышает 25 °C.

Вывод

Высокотемпературные призмы Olympus позволяют выполнять простое ручное кодированное ФР-сканирование деталей, нагретых до 150 °C. Необходимо учитывать следующие факторы: максимальная частота ПЭП 5 МГц, отрицательный сдвиг частоты, небольшое затухание сигнала и небольшое увеличение угла преломления.