Способ неразрушающего контроля изделий

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю (дефектоскопии) изделий ультразвуковыми, электромагнитными и другими методами и может быть использован для обнаружения дефектов в различных изделиях машиностроения, транспорта и других отраслей промышленности. Повышение чувствительности и достоверности неразрушающего контроля изделий достигается за счет того, что осуществляют многократный контроль изделия, сканируя изделие при идентичных условиях с определенными временными интервалами между сканированиями, регистрируют сигналы контроля на браковочном пороговом уровне, анализируют зарегистрированные сигналы, путем сравнения сигналов при текущем и предыдущих сканированиях по заданным критериям оценивают степень развития (опасности) дефекта. При сканированиях сигналы регистрируют на дополнительных пороговых уровнях, находящихся ниже браковочного порогового уровня. При обнаружении сигналов, превышающих браковочный пороговый уровень, принимают во внимание и сигналы, полученные на данном участке контролируемого изделия при текущем и предыдущих сканированиях на амплитудных уровнях ниже браковочного порогового уровня. По результатам анализа принимают решение о степени опасности обнаруженного дефекта. Количество k дополнительных пороговых уровней регистрации, находящихся ниже браковочного порогового уровня, удовлетворяет условию ≥1. 3 ил.

Предлагаемый способ относится к неразрушающему контролю (дефектоскопии) изделий ультразвуковыми, электромагнитными, вихретоковыми и другими методами и может быть использован для обнаружения дефектов в различных изделиях машиностроения, транспорта и других отраслях промышленности.

С целью обеспечения безопасной эксплуатации многие изделия и конструкции ответственного назначения в соответствии с действующими нормативно-техническими документами (НТД) подвергают периодическому неразрушающему контролю. К таким объектам относятся сварные соединения, трубопроводы и отдельные узлы атомных электростанций, нефте- и газотрубопроводы, подъемно-транспортное оборудование, элементы бурильных установок, железнодорожные рельсы и другие изделия ответственного назначения. Причем в зависимости от интенсивности эксплуатации объекта и степени его ответственности временной интервал (период) между очередными операциями по дефектоскопии изделия может составлять от нескольких дней до нескольких лет. В процессе каждого неразрушающего контроля производят регистрацию сигналов контроля и координат участков изделия, на которых приняты сигналы.

В последнее время в связи с активным развитием цифровой техники и приборостроения стало возможным обеспечивать регистрацию всех сигналов контроля совместно с данными о координатах полученных сигналов на долговременный носитель (магнитные носители, винчестер компьютера и т.п.).

Возможность сравнения сигналов, полученных в ходе текущего контроля с результатами, полученными в процессе предыдущего контроля, открывает новые возможности по идентификации сигналов от дефекта, мониторингу развития дефектов и существенно повышает достоверность неразрушающего контроля.

В предлагаемой заявке рассмотрена возможность дальнейшего повышения достоверности неразрушающего контроля при многократной дефектоскопии ответственных объектов.

Предлагаемый способ контроля рассматривается на примере ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов, уложенных в путь, как наиболее представительного класса ответственных объектов, подвергающихся интенсивной эксплуатации. Естественно способ может быть применен и при контроле других объектов, подвергающихся периодическому контролю различными методами дефектоскопии с регистрацией сигналов контроля.

С целью обеспечения безопасности движения поездов на отечественных железных дорогах рельсы, уложенные в пути 1- и 2-го класса, в зависимости от интенсивности движения поездов, пропущенного тоннажа и других факторов в соответствии с Приказом МПС РФ 2-113 от 25 с февраля 1997 г. должны подвергаться дефектоскопированию ультразвуковыми съемными дефектоскопами, магнитными и ультразвуковыми вагонами-дефектоскопами до 84 раз в год (см. табл. 2.1 [1] ), т.е. чаще, чем один раз в каждую неделю.

В основном на большинстве зарубежных железных дорог дефектоскопирование рельсов осуществляют 1-2 раза в год. Даже на самых интенсивно эксплуатируемых участках пути железных дорог Северной Америки рельсы контролируют не чаще, чем 16 раз в году (через каждые 45 дней) [2], т.е. реже, чем на Российских железных дорогах, в пять раз.

При ультразвуковом контроле рельсов как на зарубежных, так и на отечественных железных дорогах, вагоны-дефектоскопы осуществляют сплошную (непрерывную) регистрацию сигналов контроля на всей протяженности контролируемого пути с одновременной регистрацией координат сигналов, позволяющих осуществить привязку обнаруженных дефектов к пути. Дефектоскопные тележки старой конструкции (типа ПОИСК), эксплуатируемые на отечественных железных дорогах, в основном не имеют сплошной регистрации сигналов. Однако дефектоскопы нового поколения типа АВИ-КОН-01, РДМ-2 и АСД-02 [3], являясь цифровыми приборами, предусматривают наличие регистратора (встроенного или в виде отдельной приставки) для непрерывной регистрации сигналов контроля на всем пути сканирования.

Таким образом, появляется возможность выполнения сравнительного анализа сигналов контроля, полученных в ходе многократной дефектоскопии конкретных участков рельсового пути.

Вагоны-дефектоскопы позволяют осуществлять сплошную регистрацию сигналов контроля и отображать сигналы в процессе проезда на дисплеях дефектоскопического комплекса. При обнаружении в процессе анализа отображаемых сигналов контроля выделяют группы сигналов, удовлетворяющих определенным (заданным в НТД) критериям и осуществляют распечатку на принтере фрагмента дефектограммы ("стоп кадр") с координатами пути, на котором обнаружены эти сигналы. В последующем фрагменте дефектограммы передаются для вторичного осмотра данного участка рельсового пути, уточнения дефектного места с помощью переносного ультразвукового дефектоскопа с пьезопреобразователем (ПЭП), позволяющим осуществлять сканирование (перемещение) по поверхности рельса (если необходимо, по всему периметру) вручную. По результатам визуального осмотра, ручного контроля дефектного сечения рельса принимается окончательное решение о степени дефектности данного участка рельса и в зависимости от потенциальной опасности дефекта принимаются соответствующие меры (ремонт, замена рельса, оставление рельса в пути до следующего контроля).

При контроле рельсов электромагнитным (магнитодинамическим) способом в качестве критерия сигнала от дефекта является превышение амплитуды выше заданного порога (уровня) [4], а при ультразвуковом контроле - прием пачки эхо-сигналов с содержанием в пачке импульсов больше определенного (заданного НТД) количества. Причем во всех отечественных и зарубежных ультразвуковых вагонах-дефектоскопах и дефектоскопных автомотрисах регистрацию эхо-сигналов осуществляют на развертке типа В (см. патент РФ 2149393 [5]), при котором любой эхо-сигнал, превышающий заданный амплитудный порог, регистрируется в координатах "время распространения ультразвуковых колебаний _узк в контролируемом изделии - время движения t_дв преобразователя вдоль изделия" в виде яркостной отметки (точки) [6].

От дефектов и конструктивных отражателей (болтовые отверстия, торцы рельса и т.п.) обычно принимается упорядоченная группа (пачка) эхо-сигналов, отображающихся на развертке типа В в виде горизонтальных (для прямых ПЭП) или наклонных (для наклонных ПЭП) линий, состоящих из отдельных точек (эхо-сигналов) [6]. От всевозможных помех (структурные отражения, попадание песка и грязи под преобразователи, электрические и акустические шумы и т.п.) - в виде отдельных точек и хаотических групп эхо-сигналов. Иногда группы сигналов от помех весьма похожи группам (пачкам) сигналов от дефектов, что значительно затрудняет процесс расшифровки дефектограмм, обуславливает необходимость вторичной проверки участка с подозрением на дефект с помощью переносного дефектоскопа и снижает достоверность контроля. Кроме того, резко снижается и производительность контроля с помощью дефектоскопической подвижной единицы (вагона-дефектоскопа или дефектоскопией автомотрисы). Так как вторичный контроль дефектных участков рельсов с помощью переносных дефектоскопов, как правило, выполняют работники подвижной единицы, как наиболее квалифицированные и умеющие "читать" выдаваемые вагоном-дефектоскопом фрагменты дефектограмм. В результате значительное время тратится на вторичный контроль подозрительных участков, и месячная производительность контроля рельсов ультразвуковыми вагонами-дефектоскопами не превышает 1500-2000 км (несмотря на то, что при скорости контроля 50-60 км/ч вагон может проверять до 250 км пути в смену, т.е. не менее 5000 км в месяц).

Для повышения производительности и достоверности контроля рельсов с помощью подвижных средств дефектоскопии на железных дорогах Австралии и Америки применяют усовершенствованную методику (способ) контроля. Например, способ и устройство дефектоскопии рельсов по патенту США 5970438 от 19.10.99 [7] заключается в том, что контроль рельсов производят первой подвижной единицей, результаты контроля отображаются на цифровом и аналоговом дисплеях, производят анализ сигналов по определенным критериям, по результатам анализа принимают решение о возможном дефекте, запоминают в виде моментального снимка (стоп-кадр) сигналы контроля, соответствующие дефектному участку, передают данный "стоп кадр" второй подвижной единице, следующей за первой единицей по этой же рельсовой колее, производят вторичный анализ принятых сигналов и при необходимости принимают решение о контроле данного дефектного участка рельса с помощью ручного дефектоскопа, производят вторичный контроль участка с помощью (переносного) ручного дефектоскопа. Результаты контроля передают на первую подвижную единицу для последующей корректировки критериев браковки, а по результатам ручного контроля принимают необходимые меры по ремонту участка рельса или его замене на бездефектный рельс. Причем первичный анализ сигналов контроля на борту первой подвижной единицы производят в полуавтоматическом режиме, в частности, используя известные технические решения, предложенные в патентах США 5574224 [8] и 5777891 [9].

Последовательный контроль одного и того же участка изделия (рельса) с помощью двух подвижных единиц, следующих друг за другом, существенно повышает производительность и эффективность контроля. На вторую подвижную единицу (автомотрису дефектоскопную) по радиоканалу передается полная информация о сигналах контроля дефектного участка. Вторичным анализом этих сигналов и контролем с помощью переносного дефектоскопа занимается специально обученный экипаж второй подвижной единицы. При этом экипаж первой подвижной единицы (вагона-дефектоскопа) без остановок продолжает непрерывный контроль рельсов и не теряет время на вторичный контроль. В то же время экипажу первой подвижной единицы всегда известны результаты вторичного осмотра дефектного участка, что позволяет внести необходимые коррективы в критерии дифференциации сигналов на сигналы от дефектов и помехи с учетом особенностей контролируемого участка рельсового пути (тип рельса, износ, коррозия и т.п.). Кроме того, окончательный результат о выполненном контроле может быть получен буквально через несколько минут (от 10 до 30-40 мин) после обнаружения сигналов от дефекта первой подвижной единицей, а не через несколько часов или суток, как при контроле только одним вагоном-дефектоскопом.

Определенными недостатками способа (аналога заявляемого технического решения) является то, что известный способ не позволяет сократить количество вторичных осмотров пути по показаниям первого вагона-дефектоскопа, не позволяет обнаружить дефекты до достижении ими критических размеров и требует увеличения первичных капитальных вложений на покупку, эксплуатацию и обслуживание не одного, а двух подвижных единиц. Таким образом аналог заявляемого способа обладает низкой чувствительностью и производительностью контроля и требует значительных затрат на контроль (т.е. не экономичен).

Наиболее близким к данному изобретению и принятым за прототип является способ неразрушающего контроля изделий, в частности железнодорожных рельсов, предложенный израильскими специалистами G. Krug, V. Orjelik, R. Aharoni и опубликованный в трудах XV Всемирной конференции по неразрушающему контролю (г. Рим, 15-21 октября 2000 г.) [10], заключающийся в том, что осуществляют многократный (два или более раз) контроль изделия с определенным интервалом времени между проверками, сканируя изделие при идентичных условиях, регистрируют все сигналы контроля, превышающие установленный (браковочный) порог регистрации и координаты изделия, соответствующие этим сигналам; отображают и анализируют зарегистрированные сигналы, по явным признакам принимают решение о дефектности конкретных участков изделия немедленно, а по признакам докритических дефектов анализируются сигналы, полученные при предыдущих контролях (сканированиях), выделяют различия сигналов между обнаруженными при двух или более сканированиях, по результатам анализа осуществляют мониторинг процесса развития дефекта и принимают решение о дефектности обнаруженного участка изделия.

Безусловным достоинством способа, принятого за прототип, является введение сравнительного анализа сигналов, полученных при многократном (двух или более) контроле изделия, что позволяет по анализу последовательно зарегистрированных сигналов осуществлять мониторинг (наблюдение, анализ) развития дефекта. При интенсивном развитии дефекта создается возможность обнаружения его до того, как он достигнет критических размеров, и принять своевременные предупредительные меры по устранению его в плановом порядке без аварийной остановки производственного цикла (например, без остановки движения поездов по контролируемым рельсам). Одновременно сравнительный анализ сигналов, полученных при многократном (двух или более) контроле позволяет отделять "паразитные" сигналы (шумы, помехи) от действительных отражений в изделии, т.к. шумы, являясь случайным процессом, как правило, не повторяются при двух или более сканированиях в одном и том же месте изделия.

При этом существенно снижается вероятность ложной тревоги. Сравнение результатов двух (и более) контрольных сканирований облегчает идентификацию сигналов от дефектов, даже если они не достигли критических размеров. Как следует из результатов внедрения способа, принятого за прототип, на израильских железных дорогах двухэтапная методика анализа сигналов позволила повысить вероятность обнаружения дефектов с критическими размерами до 100%, а с докритическими размерами с 50 до 90% [10].

Недостатком способа, принятого за прототип, является то, что регистрация сигналов при контроле проводится при одном, установленном амплитудном пороге, что не позволяет выполнить полноценный мониторинг развития дефекта за короткий временной интервал и обуславливает необходимость проведения многократных (более двух раз) проездов (сканирования) по одному и тому же участку рельсового пути Последнее снижает чувствительность и достоверность контроля и повышает эксплуатационные затраты на содержании рельсового пути и выполнение неразрушающего контроля.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение чувствительности и достоверности неразрушающего контроля изделий при одновременном снижении затрат на проведение контроля и как следствие на эксплуатацию изделия.

Поставленная задача достигается тем, что осуществляют многократный контроль изделия, сканируя изделие при идентичных условиях с определенными временными интервалами между сканированиями, регистрируют сигналы контроля на браковочном пороговом уровне, дополнительно при сканированиях сигналы регистрируют на дополнительных пороговых уровнях, находящихся ниже браковочного порогового уровня, при обнаружении сигналов, превышающих браковочный уровень, принимают во внимание и сигналы, полученные па данном участке контролируемого изделия при текущем и предыдущем сканированиях на пороговых уровнях ниже браковочного уровня, и по результатам анализа принимают решение о степени опасности обнаруженного дефекта, причем количество k уровней регистрации, находящихся ниже браковочного порогового уровня, составляет, но меньшей мере, один или более уровней (k≥l).

На фиг. 1 представлена схема регистрации сигналов на браковочном и двух (k= 2) дополнительных пороговых уровнях при однократном сканировании изделия на развертках типа А и типа В. На фиг.2 - три пары дефектограмм (типа В), полученные при сканировании контролируемого изделия с определенной (месячной) периодичностью на браковочном и одном дополнительном пороговом уровнях, на фиг. 3 графики, демонстрирующие возможности аналитического прогнозирования ожидаемых значений числа импульсов от одного из потенциальных дефектов в контролируемом изделии благодаря регистрации сигналов контроля одновременно на двух пороговых уровнях: на браковочном и дополнительном.

Позиции на фиг.1, 2 и 3 обозначают: контролируемое изделие 1; преобразователь (электроакустический преобразователь) 2, поверхность сканирования 3 изделия 1; диаграмму направленности 4 преобразователя 2 с углом ввода α ультразвуковых колебаний в изделие 1 и с углом раскрытия 2ϕ_p диаграммы направленности, отражатели 5, 6 и 7 разных размеров в изделии 1; развертка 8 типа А, отображающая амплитуды эхо-сигналов от отражателей в изделии 1 в координатах "амплитуда U эхо-сигиалов - время t_p распространения у.з. колебаний в изделии" (на фиг.1 развертка типа А повернута на 90^o относительно положения, традиционно представляемого на экранах типовых ультразвуковых дефектоскопов); развертка 9 типа В, отображающая эхо-сигналы от отражателей 5, 6 и 7 в изделии 1 в координатах "время t_p распространения ультразвуковых колебаний в изделии - время _дв движения преобразователя 2 по поверхности сканирования 3 изделия 1". На развертке типа А зондирующий импульс 10 и эхо-сигналы 11 отображаются в виде импульсов, а на развертке типа В эти же сигналы отображаются в виде точек (яркостных отметок), которые в процессе перемещения преобразователя 2, сливаясь, образуют линию зондирующих импульсов 12 и наклонные линии пачек эхо-сигналов 13 с нижним индексом n, соответствующим номеру отражателей 5, 6 и 7 (13₅, 13₆ и 13₇).

Получаемые в процессе сканирования преобразователя 2 по изделию 1 амплитудные огибающие эхо-сигналов от отражателей 5, 6 и 7 на развертке типа А обозначены как U(t)₅, U(t)₆ и U(t)₇, а временные огибающие (пачки) эхо-сигналов от данных отражателей на развертке типа В - как 13₅, 13₆, и 13₇ соответственно, где нижний индекс в обозначении пачек эхо-сигиалов указывает на номер отражателя, от которого получены пачки эхо-сигналов.

Для демонстрации особенностей формирования пачек эхо-сигналов на развертке типа В при разных пороговых уровнях регистрации на фиг.1 приведены три пары разверток типа А и типа В (B₁, В₂ и B₃), соответствующие браковочному (U_БР) и двум (k=2) дополнительным U_П1 и U_П2 пороговым уровням. Дефектограмма B₁ соответствует случаю регистрации сигналов на развертке типа В при пороговом уровне U_П1, дефектограмма В₂ - при пороговом уровне U_П2 и В₃ - при браковочном пороге U_БР. Видно, что чем больше амплитудный порог регистрации, тем короче пачка эхо-сигналов на развертке типа В (например, можно сравнить пачки эхо-сигналов 13₅ на дефектограммах B₁, В₂ и В₃ на фиг.1, полученные при соответствующих уровнях U_П1, U_П2 и U_БР).

Развертка типа А для всех случаев остается идентичной (меняется только амплитудный уровень порога регистрации U_П1, U_П2 и U_БР) и на фиг.1 получена путем смещения первоначальной развертки (8 типа А вниз по плоскости фиг.1.

Нa фиг.2 представлены три пары дефектограмм (типа А и В), полученные на одном и том же протяженном участке контролируемого изделия 1 при сканировании (контроле) его с определенным временным интервалом (например, с периодичностью месяц в октябре (Ок), в ноябре (Н) и в декабре (Д)). При каждом сканировании регистрация сигналов на развертке типа В производилась в отличие от показанного на фиг.1 примера только на двух амплитудных пороговых уровнях: на дополнительном пороговом уровне U_П1, находящемся ниже браковочного порога, и на браковочном (U_БР) пороговом уровне (соответственно дефектограммы B₁ и В₂). Причем второй амплитудный порог U_БР является основным (браковочным), на котором проводят первичный анализ сигналов контроля (на фиг.2 все дефектограммы, полученные при пороговом уровне U_БР, выделены серым фоном).

На фиг.3 в координатах текущее время (эксплуатации изделия) - количество эхо-сигналов (импульсов), принятых от дефекта, в виде графика 14 показан рост числа импульсов от конкретного отражателя (дефекта) при регистрации сигналов в процессе многократного контроля на дополнительном пороговом уровне, находящемся ниже порогового уровня. Количество импульсов, принятых от дефекта и зарегистрированных на браковочном пороговом уровне при одном из сканирований (в декабре -Д), на графике отображено в виде точки 15. Через эту точку параллельно линии 14 проведена пунктирная линия 15, отображающая предполагаемую тенденцию роста эхо-импульсов от дефекта, превышающих браковочный пороговый уровень с течением времени. Точка пересечения кривой 16 с горизонтальной линией 17, отображающей браковочный порог количества эхо-импульсов от искомого дефекта, позволяет получить на временной оси точку 18 времени достижения размера дефекта критической величины.

Способ неразрушающего контроля изделий реализуется следующим образом.

На контролируемое изделие 1 устанавливают электроакустический преобразователь 2 и перемещают его с постоянной скоростью V по поверхности 3 изделия 1. Ультразвуковые колебания, излучаемые преобразователем 2 в виде зондирующих импульсов 10, вводятся в контролируемое изделие под определенным углом α в пределах диаграммы направленности 4. При наличии в контролируемом изделии 1 отражателей (дефектов 5, 6 и 7) ультразвуковые колебания отражаются от дефектов и последовательно принимаются преобразователем 2 в виде эхо-импульсов 11, которые могут отображаться на дисплее (экране электронно-лучевой трубки) дефектоскопа в виде развертки типа А в координатах амплитуда U эхо-сигналов - время t_р, распространения ультразвуковых колебании в изделии.

По мере перемещения преобразователя 2 по поверхности сканирования 3 на развертке типа А формируются амплитудные огибающие эхо-сигналов, обусловленные последовательным озвучиванием отражателя под разными углами в пределах диаграммы направленности 4 преобразователя 2. При этом в начальный момент времени, например при озвучивании отражателя 5, плоскость отражателя озвучивается под углом α+ϕ_p (крайним на фиг.1 - верхним лучом диаграммы) и эхо-сигнал на развертке типа А появляется на определенном расстоянии от зондирующего импульса. По мере движения преобразователя расстояние между отражателем и датчиком сокращается и отражатель 5 начинает озвучиваться осью диаграммы направленности и, наконец, другим краем диаграммы направленности (под углом α-ϕ_p). При этом временное положение эхо-сигнала на развертке типа А плавно изменяется и соответственно уменьшается временной интервал между зондирующим импульсом 10 и эхо-сигналом 11. Меняется и амплитуда эхо-сигнала от минимального при озвучивании отражателя краем диаграммы направленности до максимума при озвучивании отражателя осью диаграммы и снова до минимума при озвучивании другим краем диаграммы.

В результате на развертке типа А формируется амплитудная огибающая эхо-сигнала U(t). На фиг. 1 показано формирование амплитудных огибающих U(t)₅, U(t)₆, и U(1)₇ от отражателей 5, 6 и 7 соответственно. В связи с тем, что отражающие свойства и глубина залегания указанных отражателей различны, то и амплитудные огибающие имеют разные параметры (максимальную амплитуду и условную высоту) [11] и разную удаленность эхо-сигналов от зондирующего импульса. Причем расстояние (временной интервал t) от линии зондирующих импульсов 12 до центра наклонной линии, отображающей пачку эхо-сигналов 13 от конкретного отражателя, зависит от глубины h залегания выявляемого отражателя и соответственно тем больше, чем глубже залегает отражатель: t = 2h/c•cosα, (1) где с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии (при наклонном вводе у.з. колебаний скорость поперечной волны в стали равна 3260 м/с).

В зависимости от амплитудного порога регистрации развертка типа В для каждого порога (на фиг.1: U_П1, U_П2 и U_БР) имеет разный вид. Так, например, при низком амплитудном пороге (U_П1) эхо-сигналы от всех трех отражателей превышают порог регистрации и на развертке В₁ формируются три наклонные линии, центры которых по оси t_дв соответствуют моменту озвучивания преобразователем 2 осью диаграммы направленности 4 соответствующих отражателей 5, 6 и 7, а по временной оси t_p - временным положениям максимумов эхо-сигналов от данных отражателей (см. фиг.1). При высоком пороге (U_БР) только огибающая U(t)₅ превышает порог регистрации и соответственно на развертке типа В (дефектограмма В₃) наблюдается только одна наклонная линия, отображающая эхо сигналы 13₅ от отражателя 5.

При этом количество эхо-сигналов, отображаемых на развертке типа В в виде точек, на дефектограмме В₃, меньше, чем на дефектограмме B₁. Как известно (см. стр. 93 [1] ), количество N эхо-сигналов (импульсов), принимаемых от каждого отражателя, определяется величиной условного размера отражателя ΔL по длине (по пути сканирования) изделия, скоростью V перемещения преобразователя 2 и частотой посылок зондирующих импульсов F: Так как при изменении порога регистрации соответственно изменяется и величина условного размера ΔL, также отсчитываемая на соответствующем уровне, то в соответствии с (2) уменьшается и количество фиксируемых импульсов. Например, дефектоскопная тележка, двигающаяся со скоростью V=1 м/с, при частоте посылок зондирующих импульсов F=1000 Гц от дефекта с условной протяженностью ΔL 10 мм в соответствии с (2) примет пачку эхо-сигналов, состоящую из 10 импульсов (N=10). При повышении амплитудного порога регистрации условный размер ΔL уменьшается и количество сигналов, формирующих пачку эхо-импульсов, также уменьшается (N <10), что наглядно демонстрируется на фиг.1.

В соответствии с действующими НТД, при контроле изделий эхо-методом и наклонном вводе ультразвуковых колебаний существуют следующие критерии отнесения группы эхо-сигналов к сигналам от дефектов: -амплитуды эхо-сигналов должны превышать браковочный порог (U_д ≥ U_БР); - количество импульсов (эхо-сигналов) в пачке должно быть больше заданного (N ≥ N_брак); - по мере перемещения преобразователя по поверхности изделия сигналы в пачке должны иметь временное смещение относительно зондирующего импульса, что на развертке типа В отображается в виде точек, лежащих на одной наклонной линии (см. фиг.1 и 2).

Для рассматриваемого примера при регистрации сигналов на браковочном пороговом уровне (U_БР) примем критерий браковки по числу N импульсов в пачке эхо-сигналов: N_брак ≥ 7. На фиг.2 фрагменты дефектограмм, соответствующие конкретным сечениям А, В, С, D и Е контролируемого изделия 1 (па фиг.не показаны), обозначены соответствующими строчными буквами а, b, с, d и е, а сигналы, отнесенные по результатам анализа к дефектным, выделены овальной линией.

При первом сканировании (на паре дефектограмм группы Ок) поиск дефектов производится только на дефектограмме, полученной при браковочном амплитудном пороге. Сигналы, превышающие данный порог регистрации, наблюдаются только на участке дефектограммы, соответствующей сечению С контролируемого изделия 1 (на фиг. 2 вспомогательная линия с). Так как в рассматриваемой пачке содержится всего 3 импульса (три точки), то участок изделия, соответствующий фрагменту дефектограммы "с", не относится к дефектным.

При последующем сканировании (дефектограммы группы Н (ноябрь месяц), при первичном анализе на браковочном пороговом уровне (на дефектограмме В_2Н) наблюдаются три пачки сигналов: на фрагментах дефектограмм, соответствующих вспомогательным линиям a, b и с. Все они содержат меньшее количество импульсов (точек на фиг.2), чем N_брак. Анализ сигналов, полученных от данных сечений контролируемого изделия 1 при предыдущем сканировании (дефектограммы В_1Ок и В_2Ок), показывает, что: - в сечении А изделия 1 (на вспомогательной линии а дефектограмм) сигналов при предыдущем сканировании (в октябре месяце) не было; - в сечении В (на линии b) пачка из трех импульсов наблюдалась только на первом пороговом уровне (U_П1),
- в сечении С (на линии с) сигналы наблюдаются как в предыдущем, так и в текущем проездах при обоих уровнях (U_П1 и U_БР). Причем на первом уровне (U_П1) количество импульсов по сравнению с предыдущим сканированием изменилось с 4 до 7 импульсов, на втором с 3 до 6 импульсов. Это свидетельствует о наличии в сечении С контролируемого изделия 1 развивающегося дефекта. Не дожидаясь времени, когда параметры пачки сигналов превысят браковочный порог (N_брак≥ 7), может быть принято решение об упреждающем ремонте или принятии иных предупредительных мер относительно данного участка изделия.

Таким образом, по анализу результатов контроля, полученных в процессе двух сканирований изделия 1 с месячным интервалом между сканированиями (на фиг. 2 дефектограммы групп Ок и Н) выделен (на фиг.2 овальной линией) один дефектный участок, соответствующий на дефектограмме В_2Н условной линии с. Причем благодаря сравнительному анализу сигналов контроля, полученных с заданным интервалом, удается распознать сигнал от дефекта в сечении С изделия до достижения им критического размера.

При первичном анализе сигналов после третьего сканирования (дефектограммы группы Д (декабрь) па браковочном пороговом уровне U_БР (дефектограмма В_2Д) наблюдаются четыре пачки эхо-сигналов на фрагментах, соответствующих сечениям А, В, D и Е изделия 1:
- в сечении А (линия а) можно предположить, что пачка сигналов относится к помехам, т.к. эхо-сигналы размещены хаотично, это предположение подтверждается и анализом результатов предыдущего сканирования (дефектограммы группы Н), где в этом же сечении наблюдаются группы эхо-сигналов, не имеющих определенной временной ориентации. Такие хаотичные импульсы обычно наблюдаются при кратковременных механических ударах преобразователя 2 о неровности поверхности сканирования 3. Кроме того, для данной группы не наблюдается тенденция нарастания количества импульсов за время, равное периоду контроля (один месяц);
- пачку сигналов в сечении В (на линии b) однозначно можно отнести к сигналам от дефекта, т.к. количество импульсов в пачке N=8 превышает принятый браковочный порог (N_брак= 7 импульсов). Этот вывод подтверждается и анализом сигналов, полученных в данном сечении при предыдущих сканированиях (дефектограммы групп Ок и Н). Наблюдается тенденция нарастания сигналов в пачке от 3 до 9 при наблюдении на первом пороговом уровне (U_П1) за два месяца. На фиг.2 данная пачка сигналов (на линии b) выделена как сигнал от развивающегося дефекта и обведена овальной линией;
- количество импульсов на условной линии d дефектограммы В_2Д не превышает браковочный порог (N=6 <N). Однако анализ сигналов, полученных при сканировании изделия 1 в октябре и ноябре месяце, показывает тенденцию нарастания числа импульсов в пачке (при анализе на пороговых уровнях U_П1). На дефектограммах В_1Ок, В_1Н и В_1Д эхо-сигналы, получаемые от сечения D изделия 1, нарастают от 3 до 8 импульсов. Это позволят судить об увеличении отражающей способности внутренней несплошности в сечении D контролируемого изделия и отнести рассматриваемые сигналы на дефектограмме В_2Д к сигналам от развивающегося дефекта для принятия предупредительных мер или ремонта дефектного участка;
- наглядно показывающим эффективность регистрации сигналов на двух пороговых уровнях (U_П1 и U_БР) является группа сигналов, наблюдаемых на вспомогательной линии e на дефектограммах В_1Ок, В_1Н и В_1Д. Несмотря на то, что на браковочной дефектограмме В_2Д пачка сигналов в данном сечении имеет всего три импульса (существенно меньше браковочного порога N_брак = 7), последующий анализ результатов контроля данного сечения при предыдущих сканированиях позволяет наблюдать тенденцию нарастания отражающей способности дефекта (количество эхо-сигналов от него на дополнительном пороговом уровне U_П1 за два месяца возросло с 2 импульсов до 7). Это позволяет относительно предполагаемого дефекта в сечении Е изделия принять упреждающие меры по ремонту и как следствие снизить незапланированные расходы на ликвидацию неожиданно возникающего дефекта в изделии 1.

Можно показать, что по диагностируемым параметрам (по количеству эхо-сигналов) можно осуществлять аналитическое прогнозирование состояния контролируемого изделия, включающее, как известно, две последовательные операции [12]:
- операцию интерполяции по обработке известных данных, при которой определяют закономерность изменения процесса (тенденцию развития дефекта в контролируемом изделии);
- операцию экстраполяции по определению будущих изменений состояний контролируемого объекта (прогнозирования по уже известной тенденции развития дефекта).

На фиг.3 эти операции показаны на примере прогнозирования развития дефекта в сечении E контролируемого изделия 1 по данным дефектограмм, приведенным на фиг.2. По горизонтальной оси отложено текущее время с разделениями на периоды Т контроля (помесячно: октябрь - Ок, ноябрь - Н, декабрь - Д, январь - Я, февраль Ф и т.д.). По вертикальной оси - количество импульсов в пачке эхо-сигналов, полученных от дефекта при периодическом (через месяц) сканировании (контроле). В соответствии с фиг.2, в сечении Е контролируемого изделия (на вспомогательной линии "e" дефектограмм) в октябре при регистрации сигналов на дополнительном пороговом уровне (U_П1) приняты 2, в ноябре - 4 и в декабре - 7 эхо-сигналов (импульсов, или точек на фиг.2). Полученные точки позволяют построить на фиг.3 кривую 14, показывающую тенденцию развития (роста импульсов) искомого дефекта. В то же время на браковочном уровне (U_БР) в данном сечении эхо сигналы зафиксированы только при последнем сканировании (в декабре месяце) в виде трех импульсов и естественно по одной точке 15 на фиг.3 невозможно оценить характер и закономерность развития процесса в будущем.

Предположив, что тенденция развития сигналов, регистрируемых на браковочном пороге, идентична характеру нарастания числа импульсов при регистрации их на дополнительном пороговом уровне, можно построить кривую 16, проходящую через точку 15 параллельно кривой 14. Точка пересечения кривой 16 с горизонтальной линией N_брак 17 позволяет определить на временной оси точку 18, показывающую время, при которой количество импульсов, равное или больше браковочного N_брак, будет зарегистрировано при проведении очередного сканирования (на фиг.3 в начале февраля месяца). Таким образом, можно прогнозировать развитие дефекта в сечении Е контролируемого изделия до критического размера. Естественно данный дефект в рассматриваемом сечении можно удалять до достижения им критического размера в плановом порядке, что требует меньших затрат и может быть проведено без ущерба производственному процессу.

Таким образом, фиг.2 и 3 иллюстрируют, что введение регистрации сигналов на нескольких (в рассматриваемом примере - двух) амплитудных уровнях действительно позволяет более достоверно распознавать сигналы от потенциально опасных дефектов (сигналы d и е) на более ранней стадии их развития, не выполняя дополнительное сканирование (контроль). Это в свою очередь позволяет принять соответствующие меры по их ремонту (или замене на бездефектный рельс) в плановом порядке без аварийной остановки движения поездов.

Необходимо отметить, что дефекты в сечениях D и Е не могли быть распознаны при использовании способа, принятого за прототип, так как при анализе сигналов только на одном браковочном уровне эхо-сигналы в данных сечениях при предыдущих сканированиях (в октябре и в декабре месяце) отсутствуют. Только дополнительная регистрация сигналов на амплитудном уровне ниже браковочного (U_П1) и последующий их анализ, предусмотренные заявляемым способом, позволяют заметить и проследить тенденцию увеличения отражающей способности (количества эхо-сигналов) дефектов в этих сечениях и принять своевременное решение по недопущению аварийной ситуации.

Естественно и при первичном просмотре (анализе) можно было бы анализировать их на первом, более низком амплитудном пороговом уровне. Однако, как показывает практика и видно из фиг.2 (см. дефектограммы В_1Ок, В_1Н и В_1Д), при этом оператору пришлось бы достаточно часто отвлекаться на незначительные отражения и помехи. В результате оператор окажется перегруженным второстепенной информацией, что приведет к его быстрому утомлению и как следствие к снижению достоверности контроля. При автоматической обработке это также потребует многократного увеличения мощности вычислительных средств и времени обработки из-за существенно увеличивающегося потока входных сигналов.

Величину браковочного порогового уровня выбирают, исходя из требований, действующих в отрасли НТД. Например, при контроле железнодорожных рельсов условная чувствительность контроля в соответствии с ГОСТ 18576-85 должна быть равной 16 дБ (устанавливается на стандартном образце СО-3Р относительно эхо-сигнала от цилиндрического отражателя диаметром 6 мм, залегающего на глубине 44 мм). При этом дополнительный пороговый уровень на практике устанавливается на 3-6 дБ ниже, чем браковочный пороговый уровень, что соответствует контролю при повышенной чувствительности, превышающей чувствительность основного контроля почти до двух раз. При необходимости может быть установлен и следующий дополнительный пороговый уровень еще на 3-6 дБ ниже. В общем случае величины приращений чувствительностей контроля (отличий U_БР от U_П1, U_П2.. . .) при введении дополнительных пороговых уровней выбирают, исходя из состояния контролируемого изделия (наличие структурных отражений, микронеровностей на поверхностях и т.п.) и экспериментальных данных.

Введение анализа сигналов контроля на более низких амплитудных уровнях, чем браковочный амплитудный порог, равносильно проведению дополнительных сканирований (контроля) при более высокой чувствительности контроля, позволяющих получить эхо-сигналы от потенциальных дефектов до достижения ими критических размеров.

Безусловно, внедрение предлагаемого способа требует выполнения периодического контроля изделий при соблюдении ряда условий:
- контроль должен производиться при идентичных условиях (по мощности излучаемых колебаний, чувствительности, временной селекции, углу ввода упругих колебаний и т.п.),
- одновременно с регистрацией сигналов контроля должна быть обеспечена фиксация координат местоположения преобразователя 2 в моменты записи информации, обеспечивающая впоследствии точную синхронизацию сигналов контроля, полученных при разных сканированиях изделия, и при необходимости точное определение местоположения выявленного дефекта.

Выполнение указанных условий не требует особых затруднений и выполняется обычно при любом автоматизированном контроле, в частности, и при реализации способа, принятого за прототип. Например, при контроле рельсов с помощью ультразвуковых вагонов-дефектоскопов контроль должен производиться в соответствии с действующими в МПС РФ нормативными документами. При этом параметры контроля в процессе проведения периодического контроля должны оставаться неизменными, а координаты по длине рельсов фиксируются на всей протяженности контролируемого пути с точностью до 1 мм.

Выбор количества дополнительных уровней регистрации осуществляется исходя из компромиссных условий:
- с одной стороны, чем более детально зафиксированы сигналы в зоне вероятного дефекта, т. е. чем больше дополнительных уровней регистрации, тем более достоверно можно просмотреть предысторию развития дефекта, увидеть тенденцию его развития и более точно прогнозировать момент превышения им критического размера;
- с другой стороны, чем больше дополнительных уровней регистрации сигнала, тем больший поток информации требуется регистрировать, запоминать и хранить для последующего анализа.

Поэтому в реальных условиях ограничиваются только одним дополнительным уровнем регистрации. При контроле наиболее ответственных изделий (например, при контроле рельсов на высокоскоростном участке "Санкт-Петербург - Москва", где последствия задержки движения, вызванные аварийной ситуацией, весьма серьезны), можно идти на дополнительное усложнение аппаратуры и процедуры расшифровки для регистрации сигналов на нескольких дополнительных уровнях, находящихся ниже браковочного амплитудного порога.

Очевидно, что предлагаемый способ неразрушающего контроля изделий может быть реализован как при визуальной ("ручной") расшифровке сигналов, так и при автоматизированной обработке (расшифровке) с помощью процессорных систем. Важно лишь в алгоритмы обработки заложить основные операции способа:
- осуществлять многократное (двух и более) сканирование (контроль) изделия при идентичных условиях с определенными временными интервалами между сканированиями;
- регистрировать сигналы контроля при каждом сканировании на двух (браковочном и дополнительном) или более пороговых уровнях;
- осуществлять анализ сигналов контроля, полученных в процессе текущего сканирования на браковочном пороговом уровне;
- при обнаружении сигналов на браковочном пороговом уровне выполнить сравнительный анализ сигналов, полученных в данном сечении контролируемого изделия при текущем и предыдущих сканированиях, на всех пороговых уровнях регистрации;
- по результатам анализа определить тенденцию поведения обнаруженного в изделии отражателя (дефекта) и при нарастании размеров (отражающей способности) дефекта за межпериодный интервал контроля оценивают степень развития (опасности) дефекта;
- по результатам оценки сформировать управляющий сигнал (принять решение) по реализации упреждающих мер по ремонту или замене дефектного участка изделия.

Заявляемое техническое решение реализовано в работах, выполняемых ОАО "Радноавионика" по заказу МПС России по теме "Комплекс средств для неразрушающего контроля рельсов и других конструкций железнодорожного транспорта" (договор 959/94), в частности в регистраторе РИ-01 для ультразвукового дефектоскопа АВИКОН-01 и в дефектоскопическом комплексе АВИКОН-03 совмещенного (на базе ультразвуковых и магнитных методов контроля) вагона-дефектоскопа. В регистраторе РП-01, кроме записи сигналов контроля на браковочном пороговом уровне, производится фиксация сигналов на дополнительном пороговом уровне, находящемся на 6 дБ ниже браковочного. Программа отображения результатов контроля позволяет просматривать сигналы на ПЭВМ на браковочном и дополнительном уровнях последовательно. Как показывают результаты опытной эксплуатации регистратора на С.-Петербург-Балтийской дистанции пути (ПЧ-11) Октябрьской железной дороги, введение регистрации и анализа сигналов на дополнительном пороговом уровне при периодическом контроле участков рельсового пути позволяет существенно повысить реальную чувствительность и достоверность контроля, обнаруживать развивающиеся дефекты на ранней стадии, до достижения ими критических размеров. Причем указанные эффекты достигаются без изменения периодичности контроля, без дополнительных затрат на контроль рельсового пути. Напротив, увеличение достоверности контроля создает предпосылки к уменьшению частоты контроля и соответственно к дополнительному снижению расходов на содержание пути без снижения безопасности движения поездов.

В приведенном описании в качестве примера реализации способа рассмотрен неразрушающий контроль железнодорожных рельсов, уложенных в путь, ультразвуковыми методами. Очевидно, способ может быть применен и при периодическом контроле ответственных изделий машиностроения, транспорта и других отраслей промышленности электромагнитными, вихретоковыми и другими методами. Например, при контроле железнодорожных рельсов с помощью магнитного вагона-дефектоскопа (магнитодинамический метод неразрушающего контроля), где критерием отнесения сигналов контроля к сигналам от дефектов в изделии является превышение амплитуды выше заданного порога, также с успехом может быть применен предлагаемый способ контроля.

Таким образом, техническая задача, поставленная при разработке способа неразрушающего контроля изделий, полностью решена. Введение регистрации сигналов на нескольких (двух и более) пороговых уровнях ниже браковочного порога и соответствующий анализ сигналов, полученных в процессе периодического контроля, действительно повышает чувствительность и достоверность контроля изделий за счет появляющейся возможности обнаружения дефектов на более ранней стадии их развития. Одновременное снижение расходов на эксплуатацию изделия и затрат на неразрушающий контроль обеспечивается как за счет своевременного выявления опасных дефектов в изделии до достижения ими критических размеров и принятия упреждающих мер по их ликвидации в плановом порядке, так и за счет оптимизации периодичности контроля изделия и уменьшения затрат на контроль при сохранении необходимого уровня безопасности эксплуатации изделия.

Источники информации
1. Приказ МПС РФ 2-Ц3 от 25 февраля 1997 г. О совершенствовании системы контроля состояния рельсов средствами дефектоскопии. - на 28 стр.

2. Башкатова Л. В., Гурвич А.К., Лохач А.В., Марков А.А. Компьютеризированные средства неразрушающего контроля и диагностики железнодорожного пути. Санкт-Петербург, Радиоавионика, 1997, 118 стр. (см. с. 45-70).

3. Бабиков Д., Грибов В., Кириллов А. и др. Автоматизированная дефектоскопия рельсов. - Современные технология и автоматизация. 1, 2000 г., с. 54-57.

4. Гурвич А.К., Довнар Б.П. и др. Неразрушающий контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте. М.: Транспорт, 1983 г.

5. Патент РФ 2149393 от 19.05.99, G 01 N 29/04, Арутюнян Ю.К., Бабичев В.А, и др. Способ ультразвукового котроля цилиндрических изделий. Опубл в БИ 14, 20.05.2000.

6. Марков А. А. Альтернативное представление дефектоскопической информации в переносных ультразвуковых дефектоскопах. - В мире неразрушающего контроля. 1, 2000 г., с.42-44.

7. Патент США 5970438 от 19 октября 1999, G 01 М 19/00, G 01 N 29/04. R. Clark, J. Boyle, S. Morgan, A. Veitch. Способ и устройство дефектоскопии рельсов.

8. Патент США 5574224 от 12 ноября 1996, G 01 N 29/04. J.-P. Jaeggi. Способ и устройство для непрерывного контроля рельсов на железнодорожных линиях посредством акустики ультразвуковых частот.

9. Патент США 5777891 от 7 июля 1998, G 01 N 29/04. D. Pagano, В. Масkay, J. Norris. Способ ультразвуковой дефектоскопии в реальном масштабе времени.

10. G. Krug, V. Orjelik, R. Aharoni. Comparative Data Analysis for Optimal High-Speed Railways Testing. Сравнительный анализ данных для оптимальной проверки железнодорожных рельсов с высокой скоростью. - Тезисы XV Всемирной конференции по неразрушающему контролю. - г. Рим, Италия, 15-21 октября 2000 г. (копия доклада и перевод прилагаются).

11. Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. Санкт-Петербург, Образование-Культура, 1999, 236 с. (см. стр. 39-49).

12. В. И. Бервинов. Техническое диагностирование локомотивов. - М.: УМК МПС России, 1999. - 190 с.

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля изделия, заключающийся в том, что осуществляют многократный контроль изделия, сканируя изделие при идентичных условиях с определенными временными интервалами между сканированиями, регистрируют сигналы контроля на браковочном пороговом уровне, анализируют зарегистрированные сигналы, путем сравнения сигналов при текущем и предыдущих сканированиях по заданным критериям оценивают степень развития (опасности) дефекта, отличающийся тем, что при сканированиях сигналы регистрируют на дополнительных пороговых уровнях, находящихся ниже браковочного порогового уровня, при обнаружении сигналов, превышающих браковочный пороговый уровень, принимают во внимание и сигналы, полученные на данном участке контролируемого изделия при текущем и предыдущих сканированиях на амплитудных уровнях ниже браковочного порогового уровня, и по результатам анализа принимают решение о степени опасности обнаруженного дефекта, причем количество k дополнительных пороговых уровней регистрации, находящихся ниже браковочного порогового уровня, удовлетворяет условию k ≥ 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3