Акустические методы испытаний

Ультразвуковой акустический метод основан на пропорциональной зависимости плотности материала конструкции и скорости распространения в ней ультразвуковых волн.

Этот метод применяется при проверке конструкций толщиной от 5 до 15 м, а ударный – конструкций значительной толщины и протяженностью до 100 м.

Звук – это колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой и твердой средах.

Упругие волны подразделяются на инфразвуковые, частота которых находится в пределах от 20 Гц до 20 кГц, и ультразвуковые с частотой от 20 кГц до 1000 МГц.

При испытании бетона и керамики применяют ультразвуковые колебания с частотой от 20 до 200 кГц.

При испытании металлов и пластмасс – с частотой от 30 кГц до 10 МГц.

Для получения точных отсчетов в показатели приборов вносят поправки на перечисленные факторы.

Ультразвуковой прибор «Пульсар» служит для определения прочности бетона, кирпича, осуществляет поиск дефектов (трещин, пустот), позволяет определить пористость, трещиноватость, степень анизотропии и текстуру композитных материалов.

Ударно-импульсные приборы «Оникс – 2.4» и «Оникс –ОС» служат для определения прочности и однородности бетона.

На практике существует несколько методов использования ультразвука.

Наибольшее распространение получили:

· ультразвуковой импульсный метод;

· резонансный метод;

· импедансный метод;

· метод акустической эмиссии.

Ультразвуковым импульсным методом решаются задачи дефектоскопии строительных конструкций и определяются физико-механические свойства материалов: прочность, упругость, пористость. При этом применяют прибор с электроакустическими преобразователями.

В этот прибор входят излучатель и приемник колебаний. Щуп-излучатель и щуп-приемник (преобразователь звукового импульса в электрический сигнал) располагают на одной поверхности или с двух сторон конструкции.

В первом случае получают сведения о свойствах материала на глубине 30 – 50 мм, а во втором – достигают сквозного прозвучивания.

Излучатели и приемники – ультразвуковые преобразователи могут быть пьезоэлектрическими и магнитострикционными.

Пьезоэлектрический преобразователь (см. рис.19.) состоит из металлического корпуса 4, внутри которого располагается материал 3, обладающий пьезоэлектрическим эффектом. К числу таких материалов относятся кристаллы кварца, турмалина, титаната бария и сегнетовой соли. Кристалл, преобразующий электрическую энергию в механическую и наоборот, приклеивается или прижимается к прокладке 2 с помощью пружины 1, предназначенной для демпфирования свободных колебаний.

Рис.19. Пьезометрический преобразователь

Магнитострикционный преобразователь (см. рис.20.) состоит из магнитостриктора 2, который собирается из тонких изолированных друг от друга пластинок никеля или другого материала, обладающего под действием магнитного поля возможностью сжиматься и растягиваться. Пакет пластинок помещается в катушку, по которой пропускается переменный ток. В торце расположена металлическая мембрана 3, которая жестко прикреплена к корпусу 1.

Рис.20. Магнито-стрикционный преобразователь

Указанные преобразователи возбуждают продольные волны. Для получения поперечных волн используется явление трансформации продольной волны на границе раздела двух сред (см. рис.21.).

На границу раздела под углом а падает продольная волна 1, которая трансформируется в проходящие и отраженные 2 продольные и поперечные волны причем угол преломления Впр продольной волны 3больше угла Впо п преломления поперечной волны 4. Увеличивая угол а, можно достичь такого положения, что проходящая продольная волна будет распространяться только по поверхности и во второй среде будут распространяться лишь поперечные волны. Практически описанная трансформация волн достигается применением призматического преобразователя, который состоит из преломляющей призмы и излучателя.

Рис. 21. Схема прохождения волн через границу сред

Применительно к металлическим конструкциям с помощью ультразвука осуществляется контроль дефектов в металле и контроль качества швов. При контроле качества сварных швов обнаруживаются шлаковые включения, газовые поры, трещины и непровары.

Ультразвуковой контроль является единственным методом, позволяющим выявлять в тавровых и нахлесточных соединениях (см. рис.22.) внутренние трещины с раскрытием менее 0,2 мм и непровары в корне шва. При контроле сварных швов необходимо пользоваться эталонами – предварительно сваренными фрагментами соединений с искусственно сделанными дефектами. Отражение (эхометод) или ослабление (теневой метод) сигнала при наличии дефекта в конструкции сравнивается с эталонным.

Рис.22. Схема контроля таврового соединения

Для контроля стыковых соединений применяются призматические преобразователи с различными углами падения ультразвуковых волн а (см. рис.23.).

При сварных швах толщиной 250–300 мм и более используют преобразователи с углом а = 30 град. При исследовании более тонких швов угол увеличивается.

Рис. 23. Схема контроля сварного соединения встык

Применительно к испытанию бетона ультразвуковой импульсный метод позволяет не только проводить дефектоскопию изделий, но и определять физико-механические характеристики бетонов. Так как бетон является неоднородным материалом, то при его дефектоскопии возможно выявить лишь дефекты, размеры которых превышают характерный размер заполнителя.

Наибольшее распространение получили два метода импульсной ультразвуковой дефектоскопии бетона: -метод сквозного прозвучивания; -метод продольного профилирования (метод годографа) (см. рис.24.). Оба метода основаны на изменении скорости распространения ультразвука на дефектных участках.

Рис.24. Схема сквозного прозвучивания

Резонансный метод связан с воздействием на конструкции с изменяющейся частотой. При проведении резонансных испытаний используют образцы: призмы размером 20х20х80; 15х15х60; 10х10х40; 7,07х7,07х28,3 см, а также цилиндры диаметром 15; 7,14 см при высоте образца соответственно 60 и 28,56 см. Проведенные при этом испытания позволяют определить динамические модули упругости и сдвига.

Импедансный метод основан на регистрации величины акустического импеданса участка контролируемого изделия.

Изменение входного импеданса может быть обнаружено по изменению амплитуды или фазы силы, действующей на датчик, возбуждающий в изделии упругие колебания.

Метод акустической эмиссии основан на регистрации акустических волн в твердых телах при пластическом деформировании и при возникновении трещин.

Регистрируя скорость движения волн эмиссии, можно обнаружить опасные дефекты и прогнозировать работоспособность элементов конструкций: зон концентрации напряжений в металлических конструкциях, эволюцию развития трещин в железобетонных конструкциях, появление расслоев в клееных деревянных конструкциях и т.д.

При изучении основных проблем, связанных с применением ультразвука для дефектоскопии строительных конструкций и определения физико-механических свойств материала, необходимо остановиться еще на одном методе испытаний – импульсном.

При испытании массивных конструкций применение ультразвука оказывается неэффективным в связи с затуханием волн при прохождении среды, однако, если использовать звуковой диапазон, характеризуемый большей длиной волны, то можно добиться определенного эффекта.

При ударном методе возмущения возбуждаются механическим ударом по изделию, и исследуется распространение волн напряжений в среде.

Приборы для контроля качественных характеристик бетона ультразвуковым методом позволяют изучать процесс и измерять время распространения упругих колебаний в теле бетона. На практике измерения проводят в поперечном сечении конструктивного элемента, для чего излучатель и приемник импульсов прибора устанавливают соосно с двух сторон изучаемого объекта. К ультразвуковым относятся приборы - АМ, ЛИМ-Б, УКБ-1 и др.

Вибрационный метод, в основе которого лежит явление механических колебаний твердых тел, позволяет определить основные характеристики, обусловливающие несущую способность и деформативность изгибаемых элементов: марку бетона, предельную разрушающую нагрузку, прогиб от нормативной нагрузки. Эти свойства конструктивного элемента определяются по частоте, амплитуде собственных колебаний конструкций и характеристике их затухания, так как известно, что колебания с частотой, присущей данной системе, зависят от ее массы, размеров конструкции и характера опирания. Этот метод применяется главным образом на Домостроительных комбинатах при контроле качества изготовления отдельных конструкций. Прибором «Вист-2.3» определяют среднеквадратичное значение вибростойкости, амплитуды и частоты колебаний виброустановок, которые используются для изготовления железобетонных изделий, а также для измерения параметров вибрации.

Герметичность сборных, сборно-монолитных и монолитных зданий и сооружений определяется степенью воздухопроницаемости стыков, мест ввода в здание инженерных коммуникаций. Воздухопроницаемость зависит от толщины строительных элементов, плотности материалов и качества работ по изготовлению конструкций, замоноличивания или герметизации стыков.

Герметичность конструктивных элементов проверяется простыми способами – на слух, на ощупь, на вид, а также инструментально с помощью приборов ИВС-2М, ДСКЗ-1.

Коэффициентом воздухопроницаемости i называют количество воздуха (кг., м., м³), протекающее в 1 час через 1 пог.м стыка (1 м² площади ограждения) при разности давлений по обе стороны ограждения 1 мм водного столба.

Магнитные методы испытаний

Основаны на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами, или на определении магнитных полей изделий. Магнитные методы испытаний можно классифицировать по способам регистрации магнитных полей рассеяния или определения магнитных свойств контролируемых изделий. Основными являются следующие методы: магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый и индукционный.

Магнитопорошковый метод – один из самых распространенных для обнаружения дефектов (нарушения сплошности металла). Он применяется только для контроля деталей из ферромагнитных материалов. Этот метод позволяет находить дефекты без нарушения структуры изделий (разрушения): неметаллические и шлаковые включения, пустоты, расслоения, дефекты сварки и трещины. Метод особенно эффективен в резервуаростроении.

Магнитографический метод –состоит в записи магнитных полей рассеяния над дефектом на магнитную ленту. Этот метод применяется для проверки сплошности сварных швов различных сооружений, изготовленных из ферромагнитных сталей с толщиной стенки до 18 мм.

Феррозондовый метод –заключается в преобразовании напряженности магнитного поля в электрический сигнал. Этот метод основан на эффекте Холла и используют для обнаружения дефектов и в приборах измеряющих толщины изделий, контроля структуры и механических свойств.

Индукционный метод заключается в том, что выявление полей рассеяния в испытываемом намагниченном металле осуществляется с помощью катушки с сердечником, которая питается переменным током. Катушка устанавливается между полюсами электромагнита.

Потоки рассеяния от обнаруженного дефекта возбуждают ЭДС, которая усиливается, преобразовывается в звуковые сигналы или подается на самопишущее или осциллографическое устройство.

Этим методом выявляют дефекты железнодорожных рельс.

Магнитным методом могут быть определены толщины элементов конструкций из неферромагнитных материалов, а также выявлять напряженное состояние элементов конструкций из ферромагнитных материалов.

Существует еще и метод магнитных меток, который заключается в том, что на испытываемый элемент до его деформирования внешним магнитным полем наносят метки, расположенные на некотором расстоянии друг от друга.

По изменению этого расстояния между метками можно заключить о степени деформации элементов.

Магнитные методы применяют для определения толщины защитного слоя, а также диаметра арматуры в железобетонных конструкциях.

При применении магнитных методов необходимо соблюдать правила техники безопасности, связанные с использованием источников электроэнергии.

Радиационные методы испытания

Радиационные методы основаны на испытаниях конструкций с помощью проникающих излучений двух видов: потока фотонов типа рентгеновских и гамма-излучений, а также потока быстрых нейтронов.

Методы проникающей радиации предназначены для дефектоскопии конструкций.

Этим методом могут быть выявлены следующие дефекты:

пустоты, трещины, слои корродированного материала, зазоры в стыках, зоны с крупными порами, наличие металла и арматуры в железобетонных или каменных конструкциях.

Применение метода с быстрыми нейтронами ограничено определением влажности конструкций.

Для испытания методом проникающей радиации используют рентгеновские установки и портативные бетатроны.

Рентгеновскими установками проверяют конструкции толщиной до 500 мм, а бетатронами - до 1500 мм.

Глубинные и поверхностные зонды являются испытательной аппаратурой с быстрыми нейтронами.

Для дефектоскопии строительных материалов и конструкций используются радиационные методы.

· Наибольшее применение на практике получили:

· рентгеновский метод,

· метод тормозного излучения ускорителей электронов,

· гамма-метод,

· метод радиографии

· метод просвечивания потоком тепловых нейтронов.

Все они применяются для решения сравнимых задач.

Использование нейтронов позволяет определить содержание влаги, а позитронов – усталостные напряжения в материалах.

По своей природе рентгеновское, тормозное излучение ускорителей электронов и гамма-излучение являются высокочастотными электромагнитными волнами, распространяющимися в вакууме со скоростью света.

Источниками ионизирующего излучения в диапазоне от 0,5 до 1000 кэВ служат рентгеновские аппараты.

Наибольшая толщина просвечиваемого слоя составляет для металла – 100 мм; бетона – 350 мм и пластмассы – 500 мм. Источниками тормозного ионизирующего излучения в диапазоне до 35 МэВ (мегаэлектронвольт) служат ускорители электронов. С их помощью наибольшая толщина просвечиваемого слоя стали достигает 100 мм, бетона 300 мм и пластмассы 500 мм.

Рентгеновское излучение (см.рис.25.) возникает в результате резкого торможения электронов 3, образующих пучок катодных лучей 4, при столкновении с атомами анода 2. При торможении электронов в веществе возникает непрерывный спектр рентгеновских лучей 7, характерный для вещества мишени. При прохождении преграды (б) рентгеновскими лучами их интенсивность снижается по мере увеличения толщины преграды при наличии плотных включений 6. Наличие пустот 5 равноценно уменьшению толщины преграды. На рис. (в) показана эпюра интенсивности рентгеновского излучения за преградой.

Рис.25. Схема просвечивания рентгеновскими лучами

Для строительных целей применяются рентгеновские переносные аппараты (см.рис. 26.), с помощью которых можно получить рентгеновское излучение с энергией Е = 70–140 МэВ. Для получения рентгеновского излучения с энергией до 30 МэВ используются бетатроны (см. рис.27). Бетатрон – индукционный ускоритель электронов – состоит из ускорительной камеры 1, электромагнита 3, блоков питания 2, 6 и пульта управления 5.

Рис.26.Общий вид гамма-дефектоскопа

Для получения рентгеновского излучения с энергией до 30 МэВ используются бетатроны (см. рис.27).

Рис.27. Схема бетатронной установки

Бетатрон – индукционный ускоритель электронов – состоит из ускорительной камеры 1, электромагнита 3, блоков питания 2, 6и пульта управления 5. В один из патрубков бетатронной камеры встроен инжектор 7 (электронная пушка). Кольцевая стеклянная вакуумная бетатронная камера расположена между полюсами электромагнита, и подобно рентгеновской трубке, является источником тормозного излучения.

Под действием вихревого электрического поля электроны, введенные инжектором в камеру, движутся с ускорением по окружности.

Электромагнит предназначен для индуцирования в вакуумной камере электрического поля, необходимого для ускорения и управления движением электронов. Катушки электромагнита 4 питаются переменным током.

Под действием вихревого электрического поля электроны, введенные инжектором в камеру, движутся с ускорением по окружности.

За каждый оборот электроны получают относительно небольшой прирост энергии, что объясняется малой напряженностью электрического поля, но, совершив большое число оборотов, они ускоряются до энергии нескольких десятков МэВ (мегаэлектронвольт).

Ускоренные электроны смещаются с равновесной орбиты и направляются на анод 9, состоящий из платины или вольфрама.

В результате торможения электронов возникает тормозное излучение 8.

На практике получили широкое применение линейные ускорители (рис. 28), где представлена схема электростатического линейного ускорителя с энергией излучения до 2 МэВ

Изолированный металлический полушар 2 заряжается от быстродвижущейся ленты 1, на которую подается заряд. Электроны, вылетающие из катода 3, ускоряются в стеклянной вакуумной трубке за счет высокого напряжения между полушаром и нижней точкой ускорителя. В результате торможения на мишени (аноде) 5 генерируется тормозное излучение.

Малогабаритные ускорители характеризуются энергией до 10 МэВ.

Представителем источников тормозного излучения являются микротроны, которые позволяют ускорить электроны до энергии в несколько сотен МэВ. Микротрон – резонансный циклический ускоритель, состоящий из электромагнита и вакуумной ускорительной камеры.

Рис.28.Схема электростатического ускорителя

Источниками гамма-излучения являются изотопы химических элементов.

При их радиоактивном распаде в результате энергетических изменений внутри атома испускается гамма-излучение.

Радиоактивные источники, применяемые в строительстве, в зависимости от энергии гамма-излучения делятся на три группы:

1) источники с энергией около 1 МэВ (кобальт-60) – жесткое излучение,

2) источники с энергией 0,3–0,7 МэВ (цезий-137, иридий-192) – излучение средней жесткости,

3) источники с энергией менее 0,3 МэВ (тулий-170, европий-155) – мягкое излучение.

Число после обозначения химического элемента показывает массовое число, которое равно сумме числа протонов и нейтронов в ядре.

Ксерорадиографический метод заключается в том, что результат просвечивания фиксируется на ксерорадиографической или электрорадиографической пластинке, которая состоит из алюминиевой подложки и нанесенного на нее слоя фотопроводникового материала.

В качестве последнего используется аморфный селен.

При просвечивании элементов конструкций на поверхности селенового слоя образуется электростатическое изображение.

Скрытое изображение проявляют опылением селенового слоя мелким наэлектризованным порошком мела.

В результате образуется видимое изображение просвечиваемого объекта, которое может быть перенесено на бумагу и зафиксировано.

Радиоскопический метод заключается в преобразовании изображения скрытого рентгеновского или гамма-излучения просвечиваемого объекта в видимое световое на экранах преобразователей ионизирующего излучения и телевизионных приемников. На практике применяются установки визуального контроля с непосредственным наблюдением изображений на экранах преобразователей.

Визуальный контроль отличается от радиографического большей оперативностью. При визуальном контроле легко получать результаты при изменении угла просвечивания и стереоскопическое изображение контролируемого объекта. Недостатком рентгеноскопических методов является снижение точности получаемых результатов по сравнению с методами радиографии.

Радиометрический метод основан на оценке изменения интенсивности пучка излучения, прошедшего через изучаемый объект. Для измерения интенсивности пучка излучения за исследуемым объектом устанавливаются стинцилляционные, полупроводниковые, газоразрядные счетчики или ионизационные камеры.

С помощью радиационных методов можно изучать состояние строительных конструкций:

1) выявление дефектов при сварке металлических конструкций,

2) дефектов прокатных листов,

3) трещин,

4) зазоров между заклепками и основным материалом,

5) коррозионных поражений,

6) определение защитного слоя бетона,

7) размеров и расположения арматуры в железобетонных конструкциях,

8) измерение напряжений,

9) определение объемной массы строительных материалов,

10) выявление толщин изделий,

11) определение влажности строительных материалов,

12) выявление напряжений в металлах до появления усталостных трещин.

Контроль качества сварки осуществляется радиографическим методом.

Дефектные участки шва характеризуются искажением изображения на пленке.

По степени затемнения, форме и очертанию затемненных участков выявляются трещины, непровары, газовые поры, шлаковые включения и т.п.

При дефектоскопии бетона приходится выявлять различные дефекты на фоне его естественной неоднородной структуры, которой обладают различные объемы бетона даже при отсутствии видимых дефектов.

Просвечивание пластмасс позволяет выявить внутренние дефекты в виде трещин, раковин и т.п.

Дефекты древесины (сучки, трещины) также выявляются при просвечивании, кроме того, могут быть обнаружены места загнивания древесины в конструкциях.

Все работы с использованием радиоактивных веществ и источников ионизирующих излучений регламентируются соответствующими нормативными документами.

Эксплуатация промышленных приборов с источниками излучения должна проводиться в строгом соответствии с прилагаемыми к ним инструкциями. Для постоянного контроля за состоянием радиоизотопных приборов приказом администрации предприятия утверждается лицо, ответственное за соблюдение инструкций по их эксплуатации. К эксплуатации источников излучения допускаются работники не моложе 18 лет.

При всех работах с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений, независимо от их количества, должен осуществляться радиометрический контроль. Не должны быть превышены установленные предельные дозы облучения персонала и населения.

Применение радиационных методов связано с необходимостью устройства сложной защиты, предохраняющей от облучения. Источники излучения перевозят особым транспортом, приборы - излучатели и контейнеры для хранения радиоактивных веществ изолируют специальными защитными стенками. Эти меры увеличивают массу приборов и затрудняют использование метода для натурных обследований в городских условиях, ограничивая область его применения стенами лаборатории.

В последнее время все шире применяются приборы с закрытыми источниками излучения, в которых радиоизотопы закрывают непроницаемой оболочкой. В связи с этим при замерах не требуется сложной защиты и в исследуемом материале не возникают явления остаточной радиоактивности.

Электромагнитные методы применяют для поиска арматуры в железобетонных и каменных конструкциях и для определения влажности конструкций. Эти методы чаще всего используют в составе комплексного обследования.

Аппаратура для исследования влажности конструкций методом поглощения электромагнитных волн состоит из передатчика-излучателя и радиолокационного приемника. Расположение арматуры и ее диаметр определяют методом электромагнитной индукции. Для этого использую прибор, работа которого основана на фиксации изменения силы индукционного тока:

она тем больше, чем ближе арматура к зонду и чем больше

диаметр стержней.

Совпадения результатов испытаний на прочность неразрушающими (адеструктивными) методами находятся в пределах от 10-20%. Колебания в точности до 10% объясняются неодинаковой прочностью материала в различных точках самой конструкции. Остальные 10% ошибок вызваны тем, что при неразрушающих методах невозможно точно учесть все факторы, искажающие показания приборов.