تست آلتراسونیک ﴿UT﴾

تست غیرمخرب: تست مواد گوناگون از نظر وجود هر نوع گسستگی، بدون هر گونه اثر تخریبی بر آن.
مهمترین روشهای تست غیر مخرب شامل:
1. آلتراسونیک ﴿UT﴾
2. رادیوگرافی ﴿RT﴾
3. ذرات مغناطیس ﴿MT﴾
4. مواد رنگی نافذ ﴿PT﴾
5. بازرسی چشمی ﴿VT﴾
6. جریان گردابی ﴿ET﴾

در تمام روشهای فوق تفسیر نتایج بدست آمده اهمیت حیاتی دارد که بیشتر به مهارت و تجربه اپراتور بستگی دارد. اگر چه استفاده از فرمولهای متناسب با نوع تست، تکنیک و دستورالعملهای لازم صحت کار را افزایش خواهد داد.

تاریخچه تست التراسونیک
در قرون وسطی کارگران ماهری که برای کلیساها ناقوس می­ساختند بصورت تجربی بعداز ضربه زدن به ناقوس از روی صدای آن به سلامت یا وجود عیب در آن پی می­بردند. از این قانون کارگران راه آهن نیز استفاده می­کردند بدین ترتیب که با چکش ضرباتی به چرخهای واگنها می­زدند و از روی نتهای صدا وجود عیب یا شل بودن چرخها را تشخیص می­دادند.
در سال 1880 برادران کوری کشف کردند که اگر کریستالهای کوارتز به شیوه خاصی بریده شده و در معرض فشار یا ضربه قرار بگیرند پتانسیل الکتریکی تولید می­کنند، در سال 1881 لیبمن فرضیه­ای ارایه کرد و گفت این اثر کریستالها بصورت معکوس هم قابل انجام است یعنی اگر کوارتز در معرض جریان الکترسیته متناوب قرار گیرد شروع به ارتعاش می­کند. در 1912 بعد از غرق شدن کشتی تایتانیک نیروی دریایی سعی کرد از طریق ارسال امواج صوتی و دریافت اکوهای برگشتی راهی برای تشخیص محل دقیق کوههای یخی بیابد، آنها از این طریق به شناسایی زیر دریاییها در طول جنگ جهانی اول پرداختند. در جنگ جهانی دوم نیز با استفاده از همین روش کمیته تحقیق و تشخیص ضد زیردریایی تشکیل شد که در جنگ آتلانتیک علیه قایقهای U کمک گسترده­ای به ارتش امریکا نمود. در 1929 فیزیکدان روسی بنام سوکولف به دانش ارسال ارتعاشات تولیدی به درون فلزات پی برد این کار بعدها توسط آلمانها دنبال شد.
اولین عیب یاب التراسونیک توسط اسبرول در1942 ساخته شد، اینکار همزمان توسط فایراستون امریکایی و یک فیزیکدان آلمانی انجام شد.
در ابتدا تست التراسونیک فقط در هواپیمایی کاربرد داشت ولی در 1950 در نیروگاههای برق بریتانیا برای تست قطعات فولادی با ضخامتهای بالا مورد استفاده قرار گرفت. بعد از جنگ جهانی دوم در ساخت نیروگاههای هسته­ای، صنعت نفت و هواپیمایی تست UT استفاده گسترده­تری یافت. امروزه دستگاههای UT از نظر اندازه، کارایی و تنوع در کاربرد پیشرفتهای چشمگیری نموده­اند.
مزایای استفاده از روش UT نسبت به RT
1) UT خطری برای سلامتی ندارد و تکنسین می­تواند بدون تعطیل کردن کار دیگر کارگران در کنار آنها به تست قطعات بپردازد.
2) یکی از بهترین راههای تشخیص LOF دیواره لوله بویلرها و ترکهای جدار آنها که از عوامل مهم انفجار در بویلرها محسوب می شود.
3) بهترین راه تشخیص عیوب سطحی مانند Lamination است که گاه در رادیوگرافی دیده نمی شود.
4) زمان صرف شده در تست UT یک قطعه با ضخامت زیاد نسبت به قطعه­ای با ضخامت کم خیلی متفاوت نیست، درحالیکه در رادیوگرافی قطعات با ضخامت بالا مدت زمان بیشتری باید در معرض اشعه قرار بگیرند.
بدلایل زیر از روشهای مختلف NDT استفاده می کنیم:
1. جنس قطعه
2. نحوه ساخت
3. شکل هندسی
4. خواص فیزیکی
5. هزینه
6. عدم دسترسی به همه جای قطعه
یادآوری: تستهای مخرب شامل تست کشش، خمش، ضربه و... می­باشد
متخصص NDT باید دو شرط زیر را دارا باشد
1) Certification
2) Qualification
LevelІ: تست قطعات، مشخص کردن نوع ومقدار عیب، تهیه وتنظیم Report
LevelП׃ تست قطعات ، مشخص کردن نوع و مقدار عیب ، تهیه و تنظیم Report و درنهایت Accept یا Reject قطعه
استانداردها
مهمترین استانداردها عبارتند از ׃
1) ASME
2) AWS مانندAWSD1.1که مربوط به سازه های فولادی است.
3) API مثل API650 مربوط به تست مخازن یا API1104 برای تست خطوط لوله
4) DIN آلمان
5) BS انگلیس
امواج التراسونیک
امواج التراسونیک از نوع امواج مکانیکی­اند در نتیجه جهت انتشار به محیط مادی نیاز دارند.
جهت آشنایی با مبحث التراسونیک یادآوری تعاریف زیر ضروری بنظر می­رسد.
صوت
هر گاه ماده­ای به ارتعاش درآید صوت تولید می شود.
شما می­توانید با کشیدن یک خط­کش روی میز یا با کشیدن تکه­ای نخ کشسان این امر را مشاهده نمایید. هنگامیکه سطوح کشسان مرتعش می­شوند این ارتعاشات یا همان امواج صوتی بر مولکولهای هوا فشار وارد کرده و آنها نیز این فشار را به مولکولهای مجاور انتقال می­دهند در نتیجه منطقه­ای با فشار بالا شکل می­گیرد ﴿Compression﴾. هنگامیکه سطح مرتعش شده به عقب برمی­گردد حرکت مولکولهای هوا بصورت مجزا انجام می­شود در نتیجه منطقه­ای با فشار کم شکل می­گیرد ﴿Rarefaction).در واقع با ارتعاش یک سطح بطور متناوب تراکم و ترقیق هوا تکرار می­شود و بصورت امواج صوتی از سطح خارج می­شود.
امواج صوتی در هر محیط مادی که دارای مولکولهای متحرک است منتشر می­شود اما در محیطهای چگالتر (کشسانتر) با سرعت بیشتری انتشار می­یابد، بهمین دلیل سرعت امواج صوتی در جامدات از مایعات بیشتر و در مایعات از هوا بیشتر است.
فرکانس ﴿f﴾׃تعداد نوسانات در واحد زمان. واحد آن هرتز﴿HZ﴾ که برابر یک نوسان در مدت یک ثانیه می­باشد.
دوره ﴿T﴾׃مدت زمان یک نوسان کامل و واحد آن ثانیه است.
طول موج ﴿ג﴾׃ دریک نوسان کامل انرژی از حداکثر مقدار خود به حداقل رسیده و دوباره به حداکثر می­رسد، به فاصله بین این دو حداکثر، طول موج گویند. به­ عبارت دیگر طول موج مسافتی است که یک موج طی می­کند تا به حالت اولیۀ خود برسد.
برای محاسبه طول موج کافیست سرعت صوت در قطعه را بر فرکانس کریستال تقسیم کنیم:
v/f = ג
مثال:
مطلوبست محاسبه طول موج پراب نرمال 2MHZ در قطعه­ای از جنس استیل؟
جواب׃2.96mm
نکته:
هر چه فرکانس بالاتر باشد طول موج کوتاهتر، عمق نفوذ موج در قطعه کمتر ولی حساسیت تست بیشتر است و بالعکس.
امواج تا 20 هرتز را Infrasonic گویند که قابل شنیدن توسط انسان نیست.
امواج بین 20HZ تا 20KHZ را امواج اکوستیک گویند که توسط انسان قابل شنیدن است.
امواج بالای 20KHZ را امواج التراسونیک گویند که غیرقابل شنیدن می­باشد.
نحوه انتشار صوت (مدهای صوت)
مد طولی Longitudinal)یا Compression﴾
راستای ارتعاش ذرات ماده با انتشار امواج در یک جهت است، فقط امواج طولی در آب و هوا منتشر می­شود.
مد عرضی Transverse) یا Shear﴾
راستای ارتعاش ذرات ماده عمود بر راستای انتشار امواج می­باشد. سرعت صوت در این مد نصف مد طولی است.
مد سطحی ﴿Surface یا Reighly﴾
امواج صوتی حداکثر به اندازه یک طول موج ﴿ג﴾ در قطعه نفوذ می­کنند، سرعت صوت برابر 9/0 مد عرضی می­باشد و حرکت ذرات بصورت بیضی است.
مد صفحه ای ﴿Lamb یا Plate﴾
امواج صفحه­ای در موادی که بصورت صفحات نازک درآمده­اند منتشر می­شوند بشرطی که ضخامت صفحات به اندازه یک طول موج باشد. حرکت ذرات مانند مد سطحی به صورت بیضی است.
جدول سرعتهای طولی و عرضی بعضی از مواد

V Shear
m/s


V Com
m/s


Material
NA

332

AIR
NA

1480

WATER
3250

5920

STEEL
3130

6320

ALUMINIUM
1430

2730

PERSPEX
2260

4700

COPPER
2120

4430

BRASS
نکته׃90% انرژی صوتی از Interface بازتاب می­یابد و در حقیقت فقط حدود 10% انرژی صوتی تولید شده توسط کریستال پراب بعد از عبور از Couplant وارد قطعه می­شود، جالبتر اینکه فقط 1% از این انرژی وارد شده بعد از برخورد به BackWall یا عیب توسط پراب دریافت می­شود.
Diffraction)تفرق(
هنگامیکه پرتوهای صوتی از یک روزنه کوچک یا از یک لبه تیز عبور می­کنند در جهت­های مختلف انکسار می­یابند، به این پدیده تفرق گویند که یکی از دلایل عدم دریافت قسمت عمده پرتوهای صوتی ارسالی است.
روشهای تولید امواج التراسونیک
1) Electrostatic׃ از بارهای ثابت استفاده می­شود.
2) ElectroMagnetic׃ از میدان مغناطیس استفاده می­شود یعنی مرتباً جای قطبهای N و S عوض می­شود.
3) MagnetoStractive׃ خاصیتی است در بعضی مواد در طبیعت که اگر در میدان مغناطیسی قرار گیرند مرتعش می­شوند.
4) PizoElectric׃اولین بار جاس و بیرکوری کوارتز را در آزمایشهای خود استفاده کردند، امروزه از سرامیکهای پلاریزه بجای کریستالهای کوارتز استفاده می­شود. با تغییر در ضخامت و در معرض جریان الکتریسیته قرار دادن کریستالها می­توان ارتعاشاتی با فرکانسهای متفاوت بدست آورد، فرکانس بستگی به ضخامت کریستال و سرعت صوت در آن دارد. با فرمول زیر ضخامت کریستال قابل محاسبه می­باشد:
f × 2 / V= T
T׃ ضخامت کریستال
V׃ سرعت صوت در کریستال
PizoElectric طبیعی ׃ کوارتز
Pizo مصنوعی ׃
1) لیتیم سولفات ﴿LIS﴾ گیرندگی بسیار بالایی دارند اما در آب حل می­شوند.
2) تیتانات باریم
3) سرب زیرکونیوم تیتانات
4) سرامیکهای پلاریزه شده
امپدانس اکوستیکی ﴿Z﴾
مقاومت ماده در مقابل عبور امواج صوتی Z= ρν
هر چه مقدار عدد Z بزرگتر باشد مقاومت ماده در مقابل عبور امواج صوتی کمتر است. مثلا Z Steel = 15.20 و Z Air = .0003 می باشد در نتیجه مقاومت فولاد در مقابل امواج صوتی کمتر بوده و امواج با سرعت بیشتری عبور می کنند. بدلیل مقاومت بسیار بالای هوا در برابر عبور صوت ، امواج در هوا منتشر نمی­شوند و بهمین دلیل بین ترانسدیوسر و قطعه از کوپلنت استفاده می­کنیم.
محاسبه درصد امواج عبوری و برگشتی در دو محیط با Z متفاوت
درصد امواج برگشتی ﴿Z2 – Z1/ Z2 + Z1﴾ R =
درصد امواج عبوری z1 + z2) ﴾/ 4z1.z2T =
مثال
اگر امواج صوتی از آلومینیوم به فولاد وارد شوند مقدار T و R را محاسبه کنید؟
Z Al= 1.72 و Z Steel = 4.56



Density
g/cm



Velocity
Cm/sec



Impedance
g/cm-sec



Material


0.001


0.33 × 10


0.000033 × 10


AIR

1.00


1.49 × 10


0.149 × 10


WATER

2.71


6.35 × 10


1.72 × 10


ALUMINIUM

7.8


5.85 × 10


4.56 × 10


STEEL