книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений
..pdfБС-преобразователи могут быть включены в дефектоскоп как по раздельной (излучатель-приемник) электрической схеме, так и параллельно. Электрическое параллельное включение ПЭП в БСсистеме позволяет одновременно наблюдать на экране сигналы обратной (диффузной) A0$v и зеркальной (когерентной) А3 компо
нент рассеянного поля (эхо-зеркальный метод).
Эхо-зеркальный метод позволяет получать и измерять сле дующие характеристики дефекта:
а) амплитуду сигнала, излученного одним, дважды зеркаль но отраженным от дефекта и донной поверхности, и принятого другим ПЭП (Аз);
б) амплитуду эхо-сигнала, излученного и принятого ближ ним к дефекту ПЭП (Ао6р);
в) амплитуду эхо-сигнала, излученного и принятого дальним
ПЭП (Л'0бр);
г) условные высоту АН3 и ширину ДЛ'з, измеренные по ди намике изменения сигнала А3 при взаимном симметричном пере
мещении; д) условные высоту АЯ0бР и ширину ДА^р, измеренные по
динамике изменения А0вр;
е) условные высоту A ffo5p и ширину АТобр, измеренные по динамике изменения А'сбР;
ж) условную протяженность дефекта вдоль шва AL;
з) угол наклона ф плоскостного дефекта.
Первичные информативные признаки б, в, д, е, ж измеряются при обычном прозвучивании одним ПЭП, признаки а, г, з - при прозвучиванин только БС.
Функциональные связи и количественные соотношения меж ду первичными информативными признаками а...з позволяют расширить наше представление об отражательных характеристи ках дефекта и, следовательно, о его величине и типе.
Часто на практике реализуется не только симметричная БС, у которой имеется жесткая связь между пространственным поло жением ПЭП между собой ( Х х+ Х 2 = const), но и асимметрич
ная, у которой параметры Х х, Х 2 выбираются исходя из получе
ния максимального сигнала от дефекта (рис. 3.14).
Специфичной задачей анализа акустического тракта асим метричной БС является изучение изменения сигнала А3 при зна
чительных перемещениях приемного ПЭП.
При этом сигналы фиксируются периферийной частью диа граммы направленности ПЭП, что может привести к ошибке в измерении амплитуды, если не учитывать импульсный характер ультразвукового поля.
В ЦНИИТМАШ был выполнен специальный анализ но оцен ке степени асимметричности БС в случае импульсного характера излучения (рис. 3.15) и показано, что в пределах основного лепе стка до значений А" <3,5 индикатрисы рассеяния в случае им пульсного и непрерывного излучения совпадают и аппроксими руются удобными для практических расчетов выражениями
Ф (Х) = Х,32~°’5х1 и л и Ф(Х) = е~пХ |
При |
этом для диска |
и = 0,14, а для паза « = 0,17 [49]. Кривая |
Ф (Х )-е~ °'11х2 по |
|
строена на рис. 3.15 сплошной линией. |
|
|
Рис. 3.15. И н дикатри сы рассеяния:
а - диска; б - полосы;------ аппроксимация по формулам;
------------по В.Е. Белому
Прозрачность границы изделия под излучателем и приемни ком определяется углами otj и а 2, соотношением импедансов контактирующих сред и толщиной зазора. В диапазоне приме
няемых углов а |
прозрачность границы изделия под излучателем |
|
и приемником |
постоянна, а коэффициент отражения |
(Р) = |
= const = 1 (рис. 3.16).
Таким образом, установлено, что в обычных условиях в зави симости от типа БС (симметричная или асимметричная) ампли
туда сигнала изменяется не более чем на 1 дБ.
Рнс. 3.16. Изменение модуля произведения коэффициентов отражения в симметричной БС
Возможные ошибки в измерении амплитуды сигнала, возни кающие при переходе от общего асимметричного варианта кон троля к симметричному, не выходят за пределы точности практи ческих измерений, и оба варианта можно считать равноценными.
При дискретном сканировании эхо-зеркальным методом в плоскости поперечного сечения шва высота зон равной чувстви тельности зависит от глубины залегания фокуса’БС, что означает возможность установления различного шага между соседними ПЭП в акустическом блоке.
Эхо-зеркальный метод позволяет определять ориентацию плоскостного дефекта. Для этого необходимо, чтобы приемный ПЭП имел широкую (веерную) диаграмму направленности. Схе ма измерений показана на рис. 3.17. Результаты экспериментов на разноориентированных плоскодонных отражателях хорошо сов пали с расчетом.
В табл. 3.3 приведена сводка инженерных формул для расчета полей от отражателей строгой геометрической формы различного вида. Все формулы выписаны для случая, когда отражатель находится на акустической оси излучателя, а для двух ПЭП, когда он находится в фокусе акустической системы.
-10 -5 0 5 10 Ф
Рис. 3.17. Измерение ориентации дефекта асимметричной БС с веерными ПЭП
Таблица 3.3
|
У равнения акустического тракта |
Отражатель |
Один ПЭП |
|
Z |
Сфера |
Л = А0 *Д„ (а) х Д„(а) * |
° |
*ехр[ 2(83г3 + Sr)] |
|
0 2Ь |
||||
2 |
кг |
|
||
|
|
|||
Цилиндр |
А = Л,* Д„(а)-д„(а)« |
|
- «Ч>[-г(*Л+ 8г)] |
|
0 2 Ъ |
|
|||
|
Lkr |
_ |
||
Диск |
А = Аа х Д/,(а) х Д,/(а) х /?отр(Р) х |
,С052(ф а) х |
||
0 2Ь |
||||
|
|
|
|
гип |
|
x 2' ; ' f : s;"<v- a)1xexp{-2(5 rt+ 8 r)} |
|||
|
2/r6-sin((p-a) |
|
|
|
Полоса |
А= А0х Д„(а) х Д,;(а) х Лотр(ф) х |
^ |
у ^ |
|
2Ь |
3/2 |
°3/2 х |
||
|
|
|
А. |
*Г |
|
xsm[2M sm<»-a)] |
{ |
|
. |
|
2*6-sin(<p-a) |
1 3 |
3 |
1 |
Отражатель |
Два ПЭП a, * а 2 |
|
|
|
Сфера 0 2ЬЛ
Цилиндр 0 2Ь
Диск 0 26
Полоса 2Ъ
/Vi
Г |
П |
-1л^ |
|
“ 1 -1 |
а2 |
— |
|
|
! |
||
Ч (р |
|
||
2ср |
s>ъ |
|
|
/1 = Л0 хД Л(а |)х Д г/(а 2)х |
х |
||
я |
|||
|
2^-Vn |
||
x^orply) хФ(а2) х exp{-2S3r3 -5(г, + г,))
/Г = 4 х Д /,(а 1)хД „(а2)х а----- |
х |
Ч 2г*г« xR^iy) х Ф(а2) х exp{253r3 - 6(/j + г,)}
Л = 4 ,х Д „ (а ,)х Д (/(а2)х а |
х |
|
|
|
*■ Wn |
|
|
[cos(ip - |
а,) + cos(q>- а2)] 2У, {*6[sin(q> - |
а ,) + sin(<p- а 2)]} |
|
|
2 |
A:A[sin(<p-a|) + sin(<p-a2)] |
|
хФ(а2) х |
(у) х exp {-2б3г3 - 5(/j - г2)} |
|
|
/4 = ^ х Д Л(а 1)хД „(а2)х |
г-2— х |
|
|
|
^ |
\ ГИ*ГП |
|
sin{£6[sin(cp-a,)+sin((p-a2)]} |
. |
||
Х |
* * ( , - « , > + * ( * - « , ) ] |
|
|
хехр{-253 • г3 - 8(г, + г2)} |
|
|
|
Отражатель
Сфера 0 26
Цилиндр 0 26
Диск 0 26
Полоса
26
Плоскость
г » 6
гт » Ь
Эхо-зеркальный метод («тандем»)
V |
|
V |
|
|
|
г/ * |
^ |
|
|
А = А0х Д „(а,) х Д „(а2) х Л(а) х Л(90 а) х |
а |
х |
||
|
|
|
2* V n |
|
xexp{-263r3 - 8(/| + г2)} |
|
|
|
|
А = А0 х ДЛ(а) х Д,Да) х Л(а) х Л(90° - а) х ^ |
х Ц - х |
|||
хехр{-283г3 -б(г, + г2)} |
|
|
|
|
А = А0 х Д/;(а) х Д,Да) х Л(а) х Л(90 |
а )х 0 |
* Vn |
Фх |
|
|
|
|
|
|
xexp{-253r3 - S(fj + г2)} |
|
|
|
|
Л = А0 х Д„ (а) х Д„ (а) х Л(а) х Л(90" - а) х |
|
х |
||
|
|
4 V 2rn |
|
|
xexp{-263r3 - 6(/j + г2)} |
|
|
|
|
А = А0х Д/Да) х Д,;(а) х Л(а) х R(90 |
а )х |
а |
х |
|
|
|
Чгн+гп) |
|
|
xexp{-253r3 - S(r, + г2)} |
|
|
|
|
Г = Гп =Г ,+/з-« |
cosа |
cosа |
|
|
п ',ГК=Г2+Г3‘П |
|
|
||
|
cosp |
cosP |
|
|
( приближенные выражения) |
|
|
||
г3 - наикратчайший путь в призме; Ct - |
скорость продольной |
|||
волны в призме; С, - скорость поперечных волн в среде; |
||||
п = с//с, ; Sa = тш2 |
- площадь пьезопласгины; |
|
||
S'a = па2 = (cosa/cosp); |
R ^ - коэффициент отражения |
|||
поперечной волны от свободной границы (по Бреховских совпадает с коэффициентом отражения для продольной волны)
Д»/ (а ) х Д// (а ) = Д (а)
ф(а2) - функция направленности приемного ПЭП. Функция направленности отраженного поля:
диска |
2 J, [2£6sin(<p - |
a )l |
sinf2/r6sin((p - а)1 |
------- л ------------------ |
1 ; полосы |
------- ---------- и |
|
|
2£6sin(<p-a) |
2A 6sin(tp-a) |
|
3.5.Анализ акустического тракта теневого
ИЗЕРКАЛЬНО-ТЕНЕВОГО МЕТОДА
При анализе акустического тракта теневого метода ставится задача определить ослабление сквозного сигнала Рс вследствие
дефекта. Сигнал, принимаемый при наличии дефекта, вычисляют следующим образом (рис. 3.18). Определяют давление в плоско сти залегания дефекта MN, возникающее под действием излуча теля. Далее все точки В плоскости MN, лежащие вне дефекта,
рассматривают как вторичные источники.и определяют суммар ный сигнал от них на приемнике. Акустическое давление позади дефекта считается равным нулю. Такое допущение справедливо, когда размеры дефекта значительно больше длины волны. Для определения сигнала на приемнике Рт выполняют интегрирова ние по бесконечной плоскости MN, за вычетом площади дефекта.
Подробное решение этой задачи выполнено в [45] и получены инженерные формулы для расчета сигнала на приемнике. Напри мер, ослабление сигнала на оси ординат имеет вид
\PJPC\- 1- W a f |
(3.12) |
Рис. 3.18. Расчет акустического тракта теневого дефектоскопа
Экспериментально установлено, что при г<5гб и bfa <0,5
наибольшее ослабление сигнала наблюдается, когда дефект нахо
дится на оси искателей. В области г > 5гб максимальное ослабле
ние сигнала (т.е. наибольшая чувствительность) наблюдают толь ко тогда, когда дефект смещают в сторону от оси излучателя и приемника.
Если дефект имеет квадратную или прямоугольную форму (непровар), то максимум ослабления соответствует расположе нию дефекта ближе к оси, где поле излучения максимально. По данным [45], минимальный размер выявляемого дефекта, распо
ложенного на оси, определяют по формуле |
|
^min = My/xfab/rj+ri) |
(3.13) |
Следовательно, чувствительность повышается с уменьшени |
|
ем длины волны X , расстояния от излучателя до дефекта |
г,, рас |
стояния от дефекта до приемника г2 . Кроме того, чувствитель
ность максимальна при небольших расстояниях t\ и г2, т.е. при
контроле сравнительно тонких изделий, что вполне согласуется с практикой. Наименьшая чувствительность будет при t\ = г2 , т.е.
когда дефект находится посередине между излучателем и прием
ником, т.к. значение (г|Г2/г, +г2) максимально при г, =г2 Мак симальная чувствительность отмечается, если Г] или г2 (при не
изменной сумме f]+r2 = const) стремятся к нулю, т.е. если дефект
расположен вблизи передней или задней поверхности контроли руемого изделия, чувствительность возрастает. При увеличении размеров излучателя чувствительность повышается благодаря более направленному излучению, как, например, при просвечи вании рентгеновскими лучами, когда условия контроля улучша ются при использовании трубки с «острым фокусом».
Аналогичным образом получены уравнения акустического тракта для зеркально-теневого метода контроля. Используя обобщенное уравнение, полученное Б.А. Кругловым, А.К. Гурвич [31] предложил инженерную формулу для расчета ослабления сигнала диском при зеркально-теневом способе:
kHi |
1 |
(3.14) |
= 1 |
cos а |
г, 2 H —i\
где Я -толщ ина контролируемого изделия; к - волновое число.
Если дефект расположен в корне шва, что наиболее часто бы вает при контроле реальных сварных соединений, то rx= Н и
выражение (3.14) имеет вид
A =1_ “ ! cos a. |
(3.15) |
ЪH
Выражения (3.13), (3.14) и (3.15) справедливы для полубезграничной среды без учета потерь на шероховатость поверхности и коэффициента отражения от донной поверхности.
Расчеты существенно усложняются для изделий ограничен ного размера криволинейной формы, имеющих большую шеро ховатость поверхности, например, для сварных стыков арматуры периодического профиля диаметром dH= 20...70 мм, у которой
высота неровностей составляет 1,5...3 мм.
В [60] экспериментально-теоретическим путем получено вы ражение для расчета амплитуды прошедшего сигнала при тене
вом методе контроля таких изделий: |
|
£ |
(3.16) |
Рс |
|
Аг„ = 1 0 . . . 1 2 - к о э ф ф и ц и е н т , у ч и т ы в а ю щ и й в л и я н и е к р и в и з н ы |
и п о т е р и н а п р о |
ф и л е .
При этом погрешность расчетов для внутренних дефектов с соотношением dn/b < 8... 10 не превышает20 %.
Для зеркально-теневого метода контроля сварных стыков ар матуры получен коэффициент потерь ка =0,2...0,8, который вво
дится в числитель правой части выражения (3.15). Точность рас четных данных равна примерно 25 %.
Г Л А В А 4
АППАРАТУРА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ
4 .1 . Д е ф е к т о с к о п ы
Ультразвуковой контроль сварных соединений является весьма специфичной технологической операцией. Специфика
.определяется необходимостью работы в цехе, в поле на монтаже в различных погодных условиях (высота, ветер и т.п.).
Это предъявляет особые требования к конструкции дефекто скопа и, в частности, к его массе, габаритам, автономности пита ния, простоте индикации дефектов, ударостойкости и другим эксплуатационным качествам. С другой стороны, оператордефектоскопист должен надежно обнаруживать дефекты и пра вильно оценивать их величину и степень допустимости для дан ного изделия. Поэтому дефектоскоп должен иметь обязательный минимум функциональных блоков, позволяющий выполнить не обходимые операции.
Аппаратура ультразвукового контроля состоит из электрон ного блока (собственно дефектоскопа), набора пьезопреобразова телей (ПЭП), содержащих пьезоэлементы для излучения и прие ма ультразвуковых колебаний/ и различных вспомогательных устройств.
Ультразвуковой дефектоскоп предназначен для генерирова ния импульсов ультразвуковых колебаний, приема отраженных сигналов, преобразования этих сигналов к виду, удобному для наблюдения их на экране электронно-лучевой трубки и управле ния дополнительными индикаторами, а также для измерения ко ординат дефектов и сравнения амплитуд сигналов.
Для достоверного контроля дефектоскоп как минимум дол жен обеспечивать:
а) линейную пропорциональность между амплитудами эхосигнала на входе дефектоскопа и на индикаторе;