CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM 1. Tìm hiểu tổng quan về phương pháp 1.1 Giới thiệu chung về NDT bằng Phương pháp siêu âm. Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing – UT) là một phương pháp kiểm tra không phá hủy dựa trên việc kích thích sóng siêu âm vào đối tượng hoặc vật liệu cần kiểm tra. Trong hầu hết các ứng dụng UT phổ biến, sóng xung siêu âm rất ngắn với tần số dao động trung bình từ 0,1-15 MHz (đôi khi lên đến 50 MHz).Sóng được truyền vào vật liệu để phát hiện sai sót bên trong vật liệu.
Hình 2: kỹ sư đang kiểm tra đối tượng bằng phương pháp siêu âm Hình 1: đầu dò siêu âm 7 n Hình 3: nguyên lý đo bằng phương pháp siêu âm Một hệ thống kiểm tra UT điển hình bao gồm một số đơn vị chức năng, chẳng hạn như bộ phát / bộ thu, bộ chuyển đổi và thiết bị hiển thị. Bộ thu / phát xung là một thiết bị điện tử có thể tạo ra các xung điện điện áp cao. Được điều khiển bởi bộ xung, bộ chuyển đổi tạo ra năng lượng siêu âm tần số cao. Năng lượng âm thanh được đưa vào và truyền qua các vật liệu dưới dạng sóng.
Khi có một sự gián đoạn (chẳng hạn như một vết nứt) trên đường truyền sóng, một phần năng lượng sẽ bị phản xạ trở lại từ bề mặt khuyết tật. Tín hiệu sóng phản xạ được đầu dò chuyển thành tín hiệu điện và được hiển thị trên màn hình. Trong applet bên dưới, cường độ tín hiệu phản xạ được hiển thị so với thời gian từ khi tạo tín hiệu đến khi nhận được tiếng vọng. Thời gian di chuyển của tín hiệu có thể liên quan trực tiếp đến khoảng cách mà tín hiệu truyền đi.
Một ứng dụng phổ biến của siêu âm là đo độ dày siêu âm, kiểm tra độ dày của đối tượng thử nghiệm, ví dụ, để theo dõi sự ăn mòn đường ống. Bên cạnh việc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật (như phát hiện / đánh giá khuyết điểm, đo kích thước, đặc tính vật liệu, v.), siêu âm cũng được sử dụng trong lĩnh vực y tế (như siêu âm, siêu âm trị liệu, v. Lịch sử hình thành và phát triển của Phương pháp kiểm tra siêu âm. Trước Chiến tranh thế giới thứ hai, sonar, kỹ thuật gửi sóng âm qua nước và quan sát tiếng vọng trở lại để xác định đặc điểm của các vật thể chìm dưới nước, đã truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu siêu âm ban đầu khám phá cách áp dụng khái niệm này vào chẩn đoán Hình 4: kiểm tra bằng siêu âm trong thực tế y tế.
Năm 1929 và 1935, Sokolov nghiên cứu việc sử dụng sóng siêu âm trong việc phát hiện các vật thể kim loại. Mulhauser, vào năm 1931, đã nhận được bằng sáng chế về việc sử dụng sóng siêu âm, sử dụng hai đầu dò để phát hiện các lỗ hổng trong chất rắn. Firestone (1940) và Simons (1945) đã phát triển thử nghiệm siêu âm xung sử dụng kỹ thuật xung dội âm. 9 n Hình 5: máy siêu âm đầu tiên Hình 4: máy siêu âm hiện đại ngày nay 2.
Ứng dụng của phương pháp kiểm tra siêu âm Kiểm tra siêu âm có thể được sử dụng trong nhiều phương pháp kiểm tra: 10 n Kiểm tra thể tích của, mối hàn, đúc, sản phẩm… Phát hiện khuyết điểm và lỗ hổng trong đường ống. Đối với kiểm tra tiêu chuẩn và định kỳ của máy móc, thiết bị, động cơ, tuabin, máy bay, v.v… Trong các cuộc kiểm tra định kỳ và không định kỳ tại các trạm điện; Bao gồm nồi hơi, tàu, trống và đường ống. Trong kiểm tra công nghiệp định kỳ và không định kỳ trong ngành dầu khí, Bao gồm các lò phản ứng, đường ống, bể chứa, trao đổi nhiệt, vv… Trong kiểm tra công nghiệp định kỳ và không định kỳ trong ngành hóa chất; bao gồm máy bơm và lưu trữ hóa học. Phương tiện giao thông công cộng; Xe lửa, tàu, xe buýt và xe điện.
Các công trình bao gồm cầu, nền tảng dầu và cối xay gió. Hình 6: các lĩnh vực có thể kiểm tra bằng siêu âm Kiểm tra siêu âm mối hàn. 11 n Một trong những đặc điểm hữu ích nhất của thử nghiệm siêu âm là khả năng xác định vị trí chính xác của khuyết điểm trong mối hàn. Phương pháp kiểm tra này đòi hỏi mức độ đào tạo và năng lực của người vận hành cao và phụ thuộc vào việc thành lập và áp dụng các quy trình thử nghiệm phù hợp.
Phương pháp thử nghiệm này có thể được sử dụng trên các vật liệu màu, thường phù hợp để thử nghiệm các phần dày hơn có thể truy cập từ một phía, và thường có thể phát hiện các dòng tốt hơn hoặc các khuyết tật đơn giản hơn có thể không được phát hiện dễ dàng bằng cách kiểm tra X quang. Hình 7: kiểm tra mối hàn 3. Đánh giá chung về phương pháp kiểm tra siêu âm Ưu điểm Khả năng thâm nhập cao, cho phép phát hiện các khiếm khuyết sâu trong vật liệu. Độ nhạy cao, cho phép phát hiện các khuyết tật nhỏ.
Trong nhiều trường hợp chỉ cần tiếp cận từ một phía của vật cần kiểm tra. Độ chính xác cao hơn các phương pháp không phá hủy khác và có thể xác định độ sâu và vị trí khuyết tật. Có khả năng ước lượng kích thước, định hướng, hình dạng và tính chất của khuyết tật. Có khả năng ước lượng cấu trúc hợp kim dựa trên các thành phần có tính chất âm khác nhau.
12 n Không gây nguy hiểm cho con người khi hoạt động và không ảnh hưởng đến thiết bị và vật liệu trong vùng lân cận. Khả năng hoạt động xách tay hoặc tự động hóa. Kết quả là ngay lập tức. Do đó ngay tại chỗ có thể đưa ra quyết định.
Nhược điểm Vận hành đòi hỏi sự chú ý cẩn thận của các kỹ thuật viên giàu kinh nghiệm. Kiến thức kỹ thuật chuyên sâu khi cần phát triển các quy trình kiểm tra. Khó kiểm tra các chi tiết thô, hình dạng không đều, kích thước nhỏ hoặc mỏng, hoặc không đồng nhất. Bề mặt phải được chuẩn bị bằng cách lau chùi, loại bỏ sơn.
Cần sử dụng chất tiếp âm để truyền năng lượng sóng siêu âm giữa đầu dò và các bộ phận đang được kiểm tra trừ khi sử dụng kỹ thuật không tiếp xúc như EMAT. Các vật được kiểm tra phải đặc, có khả năng chịu nước. 13 n CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM Phương pháp siêu âm sử dụng sóng âm là những dao động cơ học có khả năng truyền qua các môi trường rắn, lỏng, khí. Sóng này truyền trong môi trường cho trước với những vận tốc riêng, theo hướng có thể đoán trước khi tới mặt phân cách giữa các môi trường chúng sẽ phản xạ hay truyền qua theo những nguyên tắc khác nhau, dựa vào phân tích các sóng phản xạ ta có được các thông tin về vật mẫu.
Hình 8: Dao động sóng âm 1. Những đặc điểm của sóng âm - Tần số âm là tần số dao động của nguồn âm, trong kiểm tra đo đạc tần số âm dao động với tần số trong khoảng từ 500 Khz đến 10Mhz. Kí hiệu là f, đơn vị Hz. - Vận tốc âm là vận tốc của sóng âm lan truyền trong môi trường với những vận tốc khác nhau nó phụ thuộc vào mật độ của môi trường và độ đàn hồi của môi trường, sóng âm không thể lan truyền trong chân không.
- Chu kỳ là thời gian để sóng âm đi được 1 bước sóng. 14 n - Bước sóng là quãng đường sóng âm đi được trong 1 chu kỳ trong môi trường mà nó truyền qua. Kí hiệu λ giữa chu kỳ và vận tốc có liên hệ: λ = v/f (m) (1) Trong đó: λ : bước sóng (m). v : vận tốc âm (m/s).
f : tần số Hz. - Góc phản xạ và khúc xạ: + Năng lượng âm trong tần số siêu âm có tính định hướng cao và chùm tia sử dụng để phát hiện khuyết tật được xác định rõ ràng. Trong các trường hợp sóng âm phản xạ ở mặt phân cách, góc tới bằng góc phản xạ. Chùm tia tới vuông góc với bề mặt sẽ phản xạ thẳng trở lại, còn chùm tia tới bề mặt dưới một góc thì sẽ phản xạ cũng bằng góc đó.
+ Năng lượng âm truyền từ vật liệu này sang vật liệu khác sẽ đổi hướng theo định luật khúc xạ của Snell.ta có công thức: sin ( i) n 2 = sin (r ) n 1 Trong đó: Hình 9: định luật khúc xạ i: là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 tới mặt phẳng phân cách và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường. r: là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường. n1: là chiết suất môi trường 1. n2: là chiết suất môi trường 2.
Góc tới hạn của khúc xạ - Chùm âm đi qua môi trường như nước hoặc plastic khúc xạ khi đi vào môi trường thứ hai với một góc tới. Đối với góc tới nhỏ, chùm âm khúc xạ và chuyển đổi dạng sóng, và kết quả là kết hợp cả sóng dọc và sóng ngang. Vùng giữa góc tới vuông góc và góc tới hạn thứ nhất không hữu ích cho kiểm tra siêu âm như vùng sau góc tới hạn thứ nhất vì lúc đó chỉ có sóng ngang được tạo ra. - Góc tới hạn thứ nhất: + Khi góc tới tăng lên, góc tới hạn thứ nhất đạt tới khi góc khúc xạ chùm âm sóng dọc đạt 90 độ, ở điểm đó chỉ có sóng ngang tồn tại trong môi trường thứ hai.
Khi lựa chọn đầu dò góc sóng ngang, hoặc khi điều chỉnh đầu dò nhúng ở góc tới để tao sóng ngang thì cần xem xét hai điều kiện. + Thứ nhất: sóng dọc khúc xạ phải phản xạ toàn phần như vậy chùm âm thâm nhập chỉ giới hạn là sóng ngang. + Thứ hai: Sóng ngang khúc xạ phải đi vào chi tiết kiểm tra theo yêu cầu của tiêu chuẩn kiểm tra,trong kiểm tra bằng phương pháp nhúng, góc tới hạn thứ nhất được tín đảm bảo rằng chùm âm đi vào chi tiết kiểm tra.