Метод фазированных решеток при высоких температурах

1 June 2017

Система фазированной решетки описана для инспекций сварных швов или мониторинга состояния исходного материала при повышенных температурах (до 350 ° C). Клинки изготовлены из пластмасс, устойчивых к высокотемпературной деструкции, и снабжены охлаждающей рубашкой вокруг массива. Разработана модель угла наклона ультразвукового датчика из-за тепловых градиентов внутри клина. Модель используется в отдельном алгоритме для расчета времени задержки передачи и приема на отдельных элементах массива для генерации плоских волн в горячей тестовой части, а также компенсирует эффекты теплового градиента внутри клина. Результаты алгоритма были использованы для разработки метода высокотемпературной фазированной решетки (HTPAUT).

Метод фазированных решеток при высоких температурах

Экспериментальные проверки разработанной методики показывают, что плоские волны могут эффективно генерироваться в горячем образце для определения дефектов в объекте контроля на том же уровне точности, который достигается при осмотре той же детали при комнатной температуре.

Однако существуют рабочие температурные пределы для фазированных преобразователей и ультразвуковых датчиков. Инженеры Eclipse Scientific разработали уникальное решение для высокотемпературного применения фазированной решетки (HTPAUT), основанное на проектировании высокотемпературных датчиков, построенных из материалов, устойчивых к высокотемпературной деструкции, и оснащенных охлаждающей рубашкой для защиты массива. Это новое решение облегчает проверку деталей при температурах до 350 ° C. Эта система в настоящее время используется во многих промышленных объектах для обнаружения потенциальных показаний в сварных швах, сосудах под давлением и т. Д. Однако точное позиционирование обнаруженных показаний остается сложным. Существует признанное ограничение в одобренных, подходящих методах высокотемпературной проверки для контроля при повышенных температурах. Внутри высокотемпературного клина термические градиенты приводят к изменениям зависящей от температуры скорости волны и перекоса волн; калькулятор фокального закона в инструменте с фазированной решеткой, основанный на предположении о распространении волны в однородных средах распространения, затем станет неточным. Угол рефракции ультразвука в испытуемый элемент изменяется с помощью повышенной температуры внутри клина и материала для испытаний, а также искажения путей распространения ультразвука.

Влияние температурных градиентов и перекос луча внутри высокотемпературных клиньев на позиционирование индикации внутри горячего элемента изучалось инженерами компании Eclipse Scientific. Это привело к разработке уникальной методики инспекции HTPAUT для точного позиционирования обнаруженных показаний внутри горячих деталей.

Недавно разработанная методика основана на:

1) вычислении фокальных законов для генерации плоских волн в горячем образце, компенсируя эффекты теплового градиента внутри клина

2) импорте вновь рассчитанных фокальных законов в прибор фазированной решетки

Формирование фазированного массива

Чтобы создать плоскую волну, распространяющуюся под определенным углом в однородной и изотропной среде, пьезоэлектрические элементы должны быть изготовлены со специфическими относительными временными задержками, известными как фокальные законы. Величина задержки для каждого отдельного элемента зависит от таких факторов, как скорость звука в среде, расстояние между элементами массива и желаемый угол распространения луча относительно линии массива.

После того, как клин используется для формирования определенного угла рефракции в испытательном образце, закон Снелла используется сначала на основе выбранного угла рефракции и отношения скорости кромки клина, чтобы указать необходимый угол луча внутри клина (угол падения). Элементные задержки (фокальные законы) рассчитываются для создания плоской волны внутри клина вдоль угла падения. Затем плоская волна преломляется вдоль желаемого угла преломления на границе клиновидной части.

Фокальные законы сначала вычисляются с помощью калькулятора фокального закона прибора фазированной решетки, а затем применяются к элементам преобразователя через отдельные электрические каналы. Как только преобразователь подключен к прибору, информация, такая как: расстояние между элементами, ширина элемента, частота, количество элементов и т. д. предоставляется инструменту для вычисления фокального закона.

Метод фазированных решеток при высоких температурах

Файл фокального закона

После выполнения вышеописанных расчетов критическая информация, необходимая для формирования луча и позиционирования указателя вдоль каждого выбранного угла рефракции, сохраняется в приборах фазовой матрицы. Эта информация включает в себя законы фокуса, заклинивания клина, точку выхода луча (смещение индекса) и т. д. для каждого угла рефракции. Файл закона ссылается аппаратным оборудованием фазированной решетки для формирования луча и позиционирования дефекта, как описано выше. В некоторых инструментах, таких как OmniScan, файлы законов могут быть экспортированы, изменены и повторно импортированы в инструмент. Эта возможность может быть использована для ситуаций, когда линейная аппроксимация волновых путей внутри клина недействительна (проверка при повышенных температурах). Это приводит к неоптимальной генерации пучка и неточному позиционированию индикации. Однако файлы законов могут быть изменены для адаптации состояния проверки.

Проверка при повышенной температуре

При повышенных температурах внутри клина термические градиенты приводят к изменениям зависящей от температуры скорости волны и искажения волн. Поэтому линейная аппроксимация пути звука внутри клина уже недействительна. Это указывает на то, что информация, хранящаяся в файле закона инструмента, более не точна и ведет к неоптимальному формированию луча как в клине, так и в контрольном образце, а также в неточном позиционировании показаний внутри горячей детали. Эта погрешность может быть решена, если:

1) вычислены фокальные законы, компенсирующие зависящие от температуры изменения скорости звука внутри клина;

2) задержка клина рассчитывается на основе траектории перекоса пучка внутри клина 3) скорость звука внутри детали изменяется при повышении температуры детали.

Для расчета фокальных законов для контроля при повышенных температурах разработана модель индуцированного термическим градиентом угла наклона ультразвукового пучка внутри клина. Во-первых, распределение температуры внутри клина моделируется с использованием программного пакета конечных элементов и проверяется экспериментально. Затем экспериментально измеряется зависимость скорости волны сжатия от температуры в клиновых материалах. Затем они были объединены с методом цифровой трассировки лучей для моделирования искаженного пути волн, распространяющихся по температурным градиентам в нагретом клине. Затем модель перекоса луча используется в отдельном алгоритме для расчета задержек передачи и времени приема отдельных элементов массива для генерации плоских волн в горячей тестовой части, а также компенсирует эффекты температурных градиентов внутри клина.

Результаты алгоритма были использованы для разработки метода проверки фазированных матриц при повышенных температурах:

1) время задержки элементов, записанное в файле закона, было заменено рассчитанными задержками с компенсацией температурного градиента

2) задержка клина была рассчитана на основании времени движения вдоль перекошенного пучка Путь внутри клина и обновленный в файле закона

3) скорость звука внутри объекта при контрольной температуре изменяется в файле закона. Как только вышеуказанные изменения были применены к файлу закона, файл импортируется обратно в прибор с фазированной решеткой, который будет использоваться для формирования луча и точного определения дефекта при повышенных температурах.

Экспериментальная проверка

Для проверки разработанной техники был разработан эксперимент на основе сканирования стального калибровочного блока толщиной 38 мм, содержащего два боковых отверстия диаметром 2,5 мм и два 3-милиметровых выреза. Планы сканирования были построены для сканирования калибровочного блока с использованием высокотемпературных клиньев WA12-HT55S-IH-G и WA12-HT55S-IH-B Eclipse, работающих при повышенных температурах до 150° C и 350° C соответственно.

План сканирования построен на основе использования первых 16 элементов массива, генерирующих секционированный пучок с минимальным и максимальным углами преломления 42° и 65° соответственно. Клин помещается на испытательный образец с клиновым фронтом на центральное расстояние блока (смещение индекса), установленное на 15 мм. Этот план сканирования показывает, что при комнатной температуре SDH 1 (расположенный на 11 мм ниже поверхности блока) может быть обнаружен в пределах углового диапазона преломления 47°-48° и диапазона звукового пути около 65-67,5 мм в зависимости от толщины пластины и расположения SDH с поверхности пластины. Аналогичным образом, план сканирования, основанный на использовании WA12-HT55S-IH-B, показывает, что при комнатной температуре SDH 1 может быть обнаружен в диапазоне углов преломления 51°-53°, как только первые 16 элементов массива были использованы для создания секториального пучка С минимальным и максимальным углами преломления 50° и 65° соответственно. Передние кромки к центру блока составляют около 15 мм.

Калиброванный блок сначала сканировался при комнатной температуре (23° C) с настройкой, указанной планом сканирования. Затем блок помещали на горячую плиту и повторно сканировали после того, при температуре 75° C и при 150° C с использованием клина WA12-HT55S-IH-G и при температуре 200°C и 300°C с использованием клина WA12-HT55S-IH-B без изменений в настройках, указанных в плане сканирования. Сканирование выполнялось дважды при каждой температуре: во-первых, с файлом закона комнатной температуры (фокальные законы, временные задержки, заклинивание клина и скорость сборки при 23° C); Затем с высокотемпературными модифицированными файлами законов (с компенсацией температурного градиента фокальными законами, заклиниванием клина и скоростью стали при повышенных температурах). Затем анализировались отсканированные данные и регистрировались угол и путь звука, связанный с максимальным амплитудным откликом от SDH1.

Метод фазированных решеток при высоких температурах

Следующие точки отмечены на основании результатов, перечисленных в приведенных выше таблицах:

1) при 23° C максимальный амплитудный отклик SDH1 был получен при углах и звуковых дорожках в пределах ожидаемого диапазона, как указано ESBeamTool6;

2) при сканировании с повышенной температурой один и тот же ответ принимался при различных углах преломления, когда использовались файлы закона о температуре в помещении (без компенсации эффектов теплового градиента). Звуковой путь индикации также отклонялся от ожидаемого диапазона.

Это приводит к тому, что SDH1 имеет ошибку позиционирования относительно местоположения клина; Однако после того, как были использованы соответствующие файлы с модифицированными высокими температурами, максимальная амплитудная характеристика получена с тем же углом преломления и диапазоном звукового пути, который был обнаружен и основан на сканировании комнатной температуры. Поэтому наблюдается, что сканирование блока с использованием файла с измененной температурой с измененной температурой может сохранять позиционирование индикатора

Точность при сканировании температуры в помещении, компенсируя эффекты градиента температуры при распространении звука внутри клина.

Вышеуказанные эксперименты повторяли несколько раз при каждой температуре для проверки согласованности результатов. На рисунке 3 показаны пути звука, которые максимальная амплитудная характеристика от SDH1 была обнаружена по сравнению с температурами блоков. Синяя и красная линии представляют результаты, когда аппаратура фазированной решетки использовала температурные и температурные измененные файлы законов соответственно. Пунктирные линии представляют ожидаемый диапазон прохождения звука (65-67,5 мм). Видно, что по мере увеличения температуры сканирования результаты сканирования, полученные с использованием файлов закона комнатной температуры, отклоняются дальше от ожидаемого диапазона. Результаты обнаружения возвращаются в пределах ожидаемого диапазона после того, как файлы с измененной редакцией с высокой температурой были использованы для проверки при каждой температуре.

Вышеуказанные эксперименты повторяли несколько раз при каждой температуре для проверки согласованности результатов. На рисунке 3 показаны пути звука, которые максимальная амплитудная характеристика от SDH1 была обнаружена по сравнению с температурами блоков. Синяя и красная линии представляют результаты, когда аппаратура фазированной решетки использовала температурные и температурные измененные файлы законов соответственно. Пунктирные линии представляют ожидаемый диапазон прохождения звука (65-67,5 мм). Видно, что по мере увеличения температуры сканирования результаты сканирования, полученные с использованием файлов закона комнатной температуры, отклоняются дальше от ожидаемого диапазона. Результаты обнаружения возвращаются в пределах ожидаемого диапазона после того, как файлы с измененной редакцией с высокой температурой были использованы для проверки при каждой температуре.

Метод фазированных решеток при высоких температурах

Рисунок 3: Сравнение траектории звука ответа максимальной амплитуды SDH1 с использованием комнатной температуры и файлов с измененной температурой в фазовом массиве.

Вывод

Недавние исследования, проведенные Eclipse Scientific, привели к разработке новой технологии HTPAUT. Методика основана на использовании модифицированных файлов законов в инструментах с фазированной решеткой с высокотемпературными законами фокуса и клиновыми задержками, рассчитанными с использованием усовершенствованных алгоритмов вычисления фокального закона и моделей перекоса лучей. Экспериментальные проверки разработанной методики показывают, что плоские волны могут эффективно генерироваться в горячем образце для определения дефектов в объекте на том же уровне точности, который достигается при осмотре комнатной температуры одной и той же детали. Eclipse Scientific предоставит новую предлагаемую технику для индустрии NDT через программное обеспечение ESBeamTool. ESBeamTool предоставит расширенные инструменты для анализа фокального закона и инструменты для создания файлов законов, которые будут использоваться вместе с высокотемпературными клиньями для облегчения проверки фазированных массивов при повышенных температурах для ОК. Эти инструменты приводят к точному контролю с компенсациями температурных эффектов при результатах сканирования.