книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

координатно-расточных станках со шлифовкой в качестве дово­ дочной операции.

За рубежом для настройки чувствительности используются стандартные образцы V-1 и V-2 Международного института

сварки с цилиндрической отражающей поверхностью.

Важный вопрос, возникающий при изготовлении образца, это необходимая глубина залегания отражателя. Если в дефектоскопе с помощью блока ВРЧ можно выравнивать чувствительность по глубине в строгом соответствии с законом ослабления ультразву­ кового пучка в материале, то глубина расположения отражателя может быть любой в пределах действия зоны выравнивания чув­

ствительности.

При отсутствии в дефектоскопе блока ВРЧ глубина располо­ жения эталонного отражателя должна в принципе соответство­

вать координатам наиболее часто встречающихся дефектов.

Если производится контроль не всего наплавленного металла за один проход, а по слоям - последовательно верхнего, среднего и нижнего, то отражатель должен находиться на глубине нижней границы соответствующего слоя. Такая методика рекомендуется для контроля швов толщиной более 30 мм. Если шов контролиру­ ется прямым лучом за один проход, то отражатель обычно вы­

полняют на нижней поверхности образца При контроле всего сечения шва однажды отраженным лучом отражатель изготовля­ ют на верхней рабочей поверхности образца Обычно чувстви­ тельность для нижней трети шва, прозвучиваемой дважды отра­ женным лучом, устанавливают по нижнему отражателю.

Такая система эталонирования в силу своей простоты нашла широкое распространение при контроле сварных швов. Но она имеет существенный недостаток - неравномерность фактической чувствительности дефектоскопа по сечению шва. Это иллюстри­ руется на графике (рис. 5.6), где по оси абсцисс отложена глубина залегания эталонного отражателя, выраженная через толщину

шва Я по оси ординат - фактическая предельная чувствитель­

ность дефектоскопа, выраженная через площадь плоскодонного отражателя 5ф. Если отражатель площадью £эт выполнен на

нижней поверхности, то будет изменяться по закону ё~2Ъгг~2

(кривая 7). В точке кривой 7 с абсциссой Я - 5 ф = 5ЭТ. Влево от

этой точки 5ф < 5ЭТ, т.е. чувствительность выше. Область кон­

троля между прямой 2 и левым участком кривой 7 (с левой штри­

ховкой) характеризуется завышенной чувствительностью. Уровень 5ф при контроле однажды отраженным лучом будет ниже

заданного (правая ветвь кривой 7).

Рнс. S.6. Изменение фактической предельной чувствительности по толщине шва при эталонировании по отражателю:

/ - на нижней поверхности; 2 - при работе с временной регулировкой чувстви­ тельности; 3 - на верхней поверхности; 4 - при контроле по слоям

Если же настройку чувствительности производить по верх­ нему отражателю и контроль вести одновременно прямым и од­ нократно отраженным лучом, то график изменения чувствитель­ ности будет соответствовать кривой 3, и фактически весь шов будет контролироваться на значительно более высокой чувстви­ тельности, чем требуется. Так, если контролируется шов толщи­ ной 30 мм и эталонирование производится по нижнему отражате­ лю, то фактические предельные чувствительности на глубинах 10 (верхний валик шва) и 30 мм (нижний валик) отличаются на 13,5 дБ. Тем не менее практика показывает, что несмотря на

столь значительную разницу в чувствительностях для корневых дефектов и дефектов вблизи поверхности неоправданной перебраковки продукции нет. По-видимому, это объясняется благо­ приятной для УЗ-метода статистикой распределения дефектов.

При контроле изделий с односторонней сваркой наиболее опасные дефекты типа трещин и непроваров в основном находят­ ся в корне, и они являются хорошими отражателями ультразвука. В верхней части шва обычно имеются поры, являющиеся очень плохими отражателями ультразвука. Поэтому, несмотря на высо­ кую чувствительность, в этой части шва поры слабо выявляются при контроле.

В случае двусторонней сварки наиболее опасные дефекты (непровары) в основном находятся посередине сечения. Они об­ ладают плохой отражательной способностью, но зато контроли­ руются фактически на более высокой чувствительности. Если они обнаруживаются ультразвуком, то никаких претензий о перебраковке не возникает. При контроле по слоям, например, с разбив­ кой сечения шва на три слоя, максимальная величина изменения фактической чувствительности будет значительно выше, и перебраковка уменьшится.

Несмотря на сказанное надо стремиться использовать блоки ВРЧ, выравнивающие чувствительность по нужному закону. В этом случае £ф = 5ЭТ= const. На рис. 5.7 приведены аппрокси­

мации экспоненциальной функции ослабления сигнала от затуха­ ния, что упрощает настройку.

Ранее было оговорено, что испытательный образец должен вырезаться из образца-свидетеля сварного соединения, не имею­ щего дефектов. А нужен ли свар'ной шов в испытательном образ­ це? На этот вопрос нельзя дать однозначного ответа. Если кон­ тролируются низколегированные стали небольшой толщины (до 30 мм) и сваренные автоматической дуговой или ручной сваркой, то затухание ультразвука в шве и околошовной зоне весьма мало отличается от затухания в основном металле. Поэто­ му этой разницей можно пренебречь и с этой точки зрения испы­ тательный образец может быть без шва. Но, оказывается, шов нужен не только для учета затухания ультразвука в нем.

204

прих = 0,15...0,7; е'*=(105г) ^3,

прих = 0,65..Л,55; е~х = (2,85г)-1,

при х —1,85... 3 , 1 б~х = (1j 25г)_7/3

6

Рис. 5.7. Аппроксимация экспоненциальной функции е'г (а) и модуль относительной погрешности аппроксимации при 6 = 0,0017 мм 1 и а = 50° (£)

Валик усиления шва является ограничителем продвижения ПЭП вперед и, следовательно, ширина валика определяет, в ка­ кую часть шва попадает прямой ультразвуковой луч при одно-, сторонней сварке. Наиболее важно обнаруживать дефекты в кор­ не шва, поэтому эталонный отражатель, например зарубка, выру­ бается именно в этом месте. В зависимости от соотношения меж­ ду толщиной шва, шириной валика усиления и выбранного угла ввода преобразователя зарубка может браться не центральным лучом диаграммы направленности, а боковым. Соответственно эталонирование необходимо производить уже по этому лучу (рис. 5.8). Если же валика усиления нет, то при эталонировании всегда будет найден максимальный эхо-сигнал, соответствующий отражению от зарубки центрального луча. Фактическая предель­ ная чувствительность обоих способов эталонирования будет раз­ ная. Во втором случае она будет меньшая для дефектов в корне шва, выполненного односторонней сваркой. Это приведет к их пропуску. Поэтому в испытательном образце необходимо иметь валик усиления шва или его имитацию в виде накладки, укреп­ ляемой на рабочей поверхности.

Рис. 5.8. Случай эталонирования по боковому лучу диаграммы направленности ПЭП

В соединениях толщиной более 30 мм затухание в швах неко­ торых сталей может существенно отличаться от затухания в ос­ новном металле. Сделать оценку его относительной величины можно с помощью двух наклонных ПЭП, направленных навстре­ чу друг другу (зеркально-теневым способом). Если максимальная разница амплитуд сигналов, прошедших через шов и основной металл, не превышает 2 дБ, то наличие шва в образце не обяза­ тельно. В противном случае контрольный образец должен изго­ тавливаться со швом. Это требование несколько усложняет изго­ товление контрольного образца, т.к. в нем не должно быть дефек-

тов сварки, Поэтому предварительно образец следует прозвучивать и просвечивать на завышенной чувствительности. Кон­ трольный образец следует вырезать из бездефектного участка образца.

5.3.Настройка с помощью АРД-диаграмм

При контроле прямыми ПЭП в качестве опорного использу­ ется донный эхо-сигнал от противоположной стороны самого изделия. В этом случае эталонирование производится в следую­ щей последовательности

а) на планшете от соответствующей АРД-диаграммой уста­ навливают наклон сетки, соответствующий выбранному значе­ нию коэффициента затухания( если устанавливается уровень чув­ ствительности на глубине дна, то наклон сетки не требуется);

б) по диаграмме для данной толщины листа Я находят зна­ чения Ад и А^ , соответствующие отражению от плоскости и

эталонного отражателя площадью 5ЭТ; в) преобразователь ставят на образец или изделие, и на экра­

не дефектоскопа фиксируется донный эхо-сигнал Ад;

г) определяют приведенный уровень предельной чувстви­ тельности из выражения: АуГ = А0+(А^т-А^у) = А^ - АА ,дБ;

д) регулятором аттенюатора на приборе устанавливают най­ денное значение А

Для уменьшения погрешности настройки донный сигнал Ад

рекомендуется брать как среднее из 3...5 замеров, сделанных на различных бездефектных участках листа.

Порядок эталонирования наклонных преобразователей такой же (рис. 5.9). По АРД-диаграмме наклонного ПЭП определяют ДА'= А^ - Ац, и полученную разницу добавляют к измеренному

значению амплитуды опорного сигнала А0 . Если опорный сигнал

Ад получен от двугранного угла образца толщиной Я ,, а кон­

тролироваться должно изделие из этого же металла толщиной Я2(Я, ФЯ 2), то процедура эталонирования следующая. На со­ ответствующей АРД-диаграмме из точек с координатами Ад, Я, и Ay» # 2 проводят прямые до пересечения с вертикальной осью.

Угол наклона прямых определяется величиной коэффициента

затухания. Так же как и в предыдущем случае определяют АА= А ^-А '0 дБ, и регулятор аттенюатора устанавливается в по­

ложение А= А0 + ( - А'0).

Рис. 5.9. Эталонирование по АРД-диаграмме (Д = 40°,/= 1,8 МГц;

2 а= 1 8 м м ; о = 0 , 0 1 5 Н п / с м ) :

т о ч к а Е- о п о р н ы й с и г н а л о т о т в е р с т и я 0 6 м м в С О - 2 Г О С Т 1 4 7 8 2 - 8 6

Для настройки чувствительности по боковому отверстию в СО № 2 А.К. Гурвичем предложены и успешно применяются SKH-диаграммы.

Если качество поверхности изделия и эталона не соответст­ вуют друг другу, необходимо вводить поправку на потери в кон­ тактном слое.

При настройке чувствительности дефектоскопа для контроля продольных (пазовых) сварных швов цилиндрических конструк­ ций (трубопроводов и сосудов небольшого диаметра) необходимо учитывать, что фактический путь ультразвука в металле нели­ нейно зависит от соотношения толщины элемента Я (мм) к его радиусу R (мм) (H/R). Поэтому настройку чувствительности,

в том числе и по АРД-диаграммам (построенным для плоских элементов), необходимо производить с использованием понятия эквивалентной толщины шва Я™. Геометрический смысл этой величины ясен из рис. 5.10. Определение Нт производят по сле­

дующим формулам:

в случае сканирования с внешней поверхности и

_ ^ (я , + Я )2 + tg2a(2№?„ + Я 2 - R, )

я ""=

при сканировании изнутри.

Здесь RH; R„ - наружный и внутренний радиус трубы соответ­

ственно; a - угол ввода ПЭП.

На рис. 5.106 приведены построенные по этим формулам но­ мограммы. Настройку глубиномера, оценку координат и измере­ ние эквивалентной площади дефекта производят как для плоско­ го сварного соединения толщиной Нт.

По формулам или номограммам для заданных параметров ПЭП и фактической толщины Я, мм определяют Нш, а также H/R„ и H/Rn. Как видно из рис. 5.106, каждый график имеет два участка: близкий к линейному до точки А на абсциссе и нелиней­

ный. Методика контроля определяется тем, на какой участок гра­ фика попадает отношение H/R.

Если числовые значения H/R лежат левее точки А ца абсциссе

(для соответствующего ПЭП), то контроль сварного соединения осуществляется по обычной методике.

Если числовые значения отношений лежат между точками А и В на абсциссе графика, то возможность контроля всего сечения

шва (при наличии усиления шва) и зоны перемещения преобразо­ вателей определяют расчетно-графическим способом.

При УЗК с наружной стороны чувствительность контроля определяют исходя из требований НТД и эквивалентной толщи­ ны сварного соединения Я™.

Рис. 5.1Q. Схемы прозвучиваиня продольных швов (д)

и номограммы (б) для расчета эквивалентной толщины стенки

При контроле с внутренней стороны выбранными ПЭП чув­ ствительность определяют исходя из истинной толщины соеди­ нений Я, но настраивают ее для глубины, соответствующей экви­ валентной толщине изделия Я™, определяемой по номограмме.

Если отношение H/R находится за пределами границы (точка В), то при определении контроледоступности следует учесть, что

контроль всего сечения шва с наружной стороны невозможен (степень контроледоступности не выше 2С или ЗС). В этом слу­ чае прозвучивание всего сечения шва может быть обеспечено при отсутствии усиления шва и его прозвучивания с наружной и внутренней сторон соединения, что должно быть проведено рас­ четно-графическим способом.

Для определения координат дефектов в сечении шва глуби­ номер дефектоскопа следует настраивать в расстояниях по лучу.

Разновидностью зарубки является угловой вертикальный от­ ражатель. Как показано в [45], амплитуда сигнала от него слабо зависит от волнового размера отражателя, поэтому он применяет­ ся при контроле тонкостенных изделий.

Б.М. Табаковой и А.Д. Скордевым для настройки чувстви­ тельности при контроле нахлесточных соединений предложен проходной цилиндрический отражатель, ось которого лежит в плоскости падения луча и ортогональна ему (рис. 5.11) [77]. По­ казано, что амплитуда эхо-сигнала от этого отражателя не испы­ тывает осцилляций при изменении Ьи/ Х , что гарантирует вос­

производимость уровня настройки (рис. 5.12.).

А, дБ

24

28

32

36

40

44

На рис. 5.13 показана предложенная ЦНИИТМАШем схема настройки по угловому цилиндрическому отражателю в сечении изделия.

При невозможности получить донный сигнал от угла и не­ целесообразности изготовления контрольных образцов, что, например, бывает при механизированном контроле сварных конструкций, автором предложен метод эталонирования, со­ стоящий в том, что в качестве опорного сигнала используется отражение продольных волн от противоположной стенки изде­ лия при наклоне призматического ПЭП к поверхности на угол