книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

ГЛАВА 6

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОМЕТРИЯ

6.1.Особенности получения информации

О ДЕФЕКТЕ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ КОНТРОЛЕ

Обнаружить, измерить дефект, оценить степень его допусти­ мости для данной конструкции - в этом основная задача УЗ-контроля.

В настоящее время эта задача еще не решена в полной мере, что объясняется двумя основными причинами. Во-первых, боль­ шим разнообразием дефектов сварных соединений по отража­ тельным свойствам, ориентации и расположению; во-вторых, низкой информативностью ультразвукового метода, не обеспечи­ вающего надежную дешифровку дефекта.

Как показано в гл. 2, при падении У3-волны на дефекте воз­ никает акустическое поле рассеяния, содержащее целый спектр волн различного типа, рассеянных по законам геометрической акустики и теории дифракции. Это акустическое поле принято называть индикатрисой рассеяния дефекта.

Если регистрируется только та часть энергии, которая отра­ зилась обратно к преобразователю, например при контроле по совмещенной схеме, то измеряется индикатриса обратного рас­ сеяния. Пространственно структурная форма индикатрисы рас­ сеяния определяется как параметрами акустического тракта (дли­ ной волны, длительностью импульса, шириной пучка, ракурсом озвучивания), так и параметрами самого дефекта как отражателя.

Как показано выше, реальные дефекты сварных швов отли­ чаются большим разнообразием, имеют неповторяемую конфи­ гурацию, ориентацию, шероховатость поверхности и отличаются по отражательной способности даже в пределах одного морфоло­ гического типа. Поэтому их необходимо рассматривать как отра­ жатели случайные (стохастические), которые имеют какие-то

характеристические параметры индикатрисы рассеяния, но само наличие этих параметров и пространственно энергетические и фазовые характеристики их для данного дефекта могут оцени­ ваться только с определенной вероятностью.

Это означает, что ультразвуковая дефектоскопия является вероятностной наукой и решает задачи обнаружения и дефектометрии с определенной вероятностью. Или, как принято гово­ рить, с определенной достоверностью (объективностью). Иногда вместо термина достоверность используют термин «надеж­ ность». Это не совсем корректно, поскольку термин «надеж­ ность» предполагает в значительной степени временной фактор («наработка на отказ»).

Индикатриса рассеяния отражателя правильной геометриче­ ской формы с гладкой поверхностью, так называемого «детерми­ нированного отражателя», сильно отличается от индикатрисы рассеяния реальной несплошности. Характеристики отраженного поля детерминированного отражателя легко предсказуемы, вос­ производимы и стандартизированы

Все уравнения акустического тракта основаны на использо­ вании детерминированных отражателей. Только эти акустические модели, как обеспечивающие воспроизводимость параметров;, должны использоваться для настройки чувствительности дефек­ тоскопа. Но оператор всегда должен помнить, что такой отража­ тель только грубая модель дефекта, и понимать существование разницы между отражательными свойствами реальных дефектов

иих акустических моделей.

Виндикатрисе рассеяния зашифрована вся информация о де­ фекте. Поэтому ультразвуковая дефектометрия основана на ана­ лизе средневзвешенных пространственных соотношений ампли­ тудно-фазовых характеристик волн различного типа в индикатри­ се рассеяния реального дефекта, выделении в ней устойчивых информативных признаков (параметров) и установлении корре­ ляционных связей с размером и морфологическим типом дефек­ та, с одной стороны, и наиболее близкой акустической модели (детерминированный отражатель) - с другой.

Впоследнее время, благодаря бурному прогрессу вычисли­ тельной техники, появилось много методов и аппаратурных ре­ шений по многопараметровой обработке индикатрисы рассеяния

иреконструкции изображения (образа) дефекта, позволяющих с высокой точностью определить его тип и размеры.

Описание и сравнительный анализ этих методов требует спе­ циального рассмотрения, выходящего за рамки задач поставлен­ ных этой книгой. Поэтому далее будут рассмотрены способы дефектометрии, которые реализуются при ручном контроле дефек­ тоскопами общего назначения производимого в цеховых и поле­ вых условиях без использования дополнительной вычислитель­ ной техники.

В зависимости от вида обрабатываемой первичной информа­ ции методы ультразвуковой дефектометрии подразделяются на две основные группы: амплитудные и временные.

В амплитудных способах оценка величины дефекта произво­ дится по амплитуде отраженного от него (в случае эхо-метода) или прошедшего (теневой, зеркально-теневой) через него сигна­ ла. Амплитудные способы не позволяют в полной степени учесть конфигурацию дефекта и поэтому дают усредненную информа­ цию, выражаемую через так называемые условные размеры.

Временные способы позволяют судить об истинных размерах дефекта, определив временную задержку, связанную с рассеяни­ ем волн на краях (верхнем и нижнем) дефекта.

Основным преимуществом этих способов по сравнению с амплитудным является меньшая погрешность измерений, вы­ званная нестабильным качеством акустического контакта, неоп­ тимальным ракурсом озвучивания, выбранным уровнем чувстви­ тельности дефектоскопа и т.п.

Однако недостатком их является необходимость применения двух ПЭП, размещенных в одной вертикальной плоскости по обе стороны от дефекта, и наличием специальной аппаратуры, обес­ печивающей измерение временных интервалов с погрешностью

± 0,1 нс.

На практике полный анализ индикатрисы обратного рассея­ ния или проведение какого-то большого числа измерений ее в отдельных характерных точках и направлениях весьма затрудни­ тельно и нерентабельно. С другой стороны, объем измерений не должен быть сведен к минимуму из-за опасности потерять важ­ ную информацию о дефекте. Наконец, необходимо использовать только такие информативные признаки о дефекте, которые под­ даются воспроизводимому измерению в любых условиях, любым оператором и выражаются в простой числовой форме.

Структура существующей нормативной документации (СНиП, правил контроля и т.п.) регламентирует проведение оценки качества сварных соединений по совокупности ряда ин-

формативных признаков: координат по сечению и длине шва, истинных или условных размеров дефекта, числа дефектов на единицу длины шва, наименьшего расстояния между дефектами, типу (характеру) дефекта.

6.2. О п р е д е л е н и е ко о р д и н а т д е ф е к т о в

Местонахождение дефекта в сварном шве определяют три координаты: h - глубина залегания дефекта, отсчитываемая по нормали к поверхности; X - расстояние от центра излучения пре­

образователя до дефекта вдоль поверхности изделия (рис. 6.1) (иногда отсчет X производится от передней грани призмы); L -

расстояние вдоль оси шва от дефекта до какой-либо выбранной точки отсчета.

Рис. 6.1. Определение координат дефекта наклонным ПЭП; а - в изделии с плоской поверхностью; при хордовом прозвучнвании

продольных швов в трубах, б - снаружи, в - изнутри

.Глубиномерное устройство дефектоскопа измеряет времен­ ной интервал между зондирующим импульсом и эхо-сигналом от дефекта Т. Так как скорости ультразвуковых колебаний

в металле и призме и углы ввода определены, то по Т можно определить h и X

Вслучае прямого или РС-ПЭП без акустической задержки

Я= Tcj /2 .

Для РС-ПЭП с задержкой

Здесь г - расстояние от точки выхода луча до дефекта; tn , ln , с „ , Cf - соответ­

ственно время прохождения (в одном направлении), путь и скорость ультразвука в призме и изделии.

Глубиномеры современных дефектоскопов позволяют легко измерять все координаты отражателя. Дефектоскопами старых типов можно определять только Т или Я при прозвучивании про­ дольными волнами. В этом случае для определения Н н Х удобны

координатные линейки типа У&Л-1, позволяющие учитывать время прохождения ультразвука в призме. При контроле конст­ рукций из титановых сплавов и некоторых сталей необходимо учитывать характерную для них существенную анизотропию скорости ультразвука в зависимости от направления прозвучивания по отношению к текстуре проката.

Координаты дефектов в изделиях с криволинейной поверхно­ стью определяют с помощью номограмм.

При хордовом прозвучивании наклонным ПЭП цилиндриче­ ских изделий положение проекции дефекта относительно точки

h - R - S1R 2 +r2 -IR rc o sa .

В случае, если контроль выполняется наклонным ПЭП пер­ пендикулярно образующей по внутренней поверхности цилиндра, соответствующие формулы для определения координат дефекта имеют вид:

д/я2в11 + г 2 + 2 ^ ,/ cosа

При контроле отраженным лучом глубину дефекта Иопреде­

ляют с учетом числа отражений от каждой из поверхностей изде­ лия по выражениям:

h = (1 + п) Н - 1\я (при нечетном п ), h = hrnпН0 (при четном п ).

Здесь Н - толщина шва: hT„ - показания глубиномера дефектоскопа.

Значения X при любой схеме прозвучивания определяют не­

посредственно по шкале глубиномера.

6.3.Амплитудные методы измерения

ВЕЛИЧИНЫ ДЕФЕКТОВ

6.3.1. Измерение эквивалентной площади

Амплитуда эхо-сигнала в ультразвуковой дефектоскопии измеряется относительным методом - сравнением эхо-сигнала от дефекта с каким-либо опорным сигналом, полученным тем же ПЭП от отражателя известной величины и геометрической формы. Относительный метод измерений весьма удобен на практике, т.к. позволяет полностью отказаться от необходимо­ сти расчета коэффициента преобразования электрической энер­ гии в механическую, определяемого физическими константами пьезоэлемента, влиянием переходных клеевых слоев, величиной зондирующего импульса, условиями согласования пьезоэлемен­ та с усилителем и т.п.

Весьма важно унифицировать процесс измерений. Размер де­ фекта должен выражаться через какую-то стандартизированную величину, воспроизводимую при любых измерениях Поэтому в ультразвуковой дефектоскопии в качестве унифицированной единицы измерения принята эквивалентная площадь (эквива­

лентный диаметр) 5Э дефекта, которая измеряется площадью дна

плоскодонного отверстия, расположенного на той же глубине, что и дефект, и дающего эхо-сигнал такой же амплитуды. Анало­ гично определяется эквивалентный диаметр.

При измерении эквивалентного размера дефекта по совме­ щенной схеме наклонным преобразователем ось плоскодонного отражателя соосна оси пучка; при измерении РС-ПЭП ось отвер­ стия нормальна поверхности, а при измерении наклонными пре­ образователями эхо-зеркальным методом («тандем») ось отвер­ стия параллельна поверхности. Если дефект прозвучивается не­ сколькими ПЭП различных типов, то за эквивалентный размер дефекта принимается наибольшее измеренное значение.

Применяют два способа измерения эквивалентной площади дефектов: с помощью образцов и по АРД-диаграммам.

Первый способ состоит в том, что эхо-сигнал от дефекта по­ следовательно сравнивается с сигналами от плоскодонных отвер­ стий различной величины, выполненных на той же глубине, что и дефект в тест-образце, акустические свойства и качество поверх­ ности которого точно такие же, как в контролируемом изделии.

Основные преимущества способа - простота и минимум по­ грешностей измерения. Все операции по измерению эквивалент­ ного размера сводятся к тому, что оператор должен найти отвер­ стие, от которого фиксируется эхо-сигнал, равный эхо-сигналу от дефекта

Недостаток способа в необходимости изготовлять большое число образцов с широким набором плоскодонных отражателей по диаметру и глубине.

При измерении размера дефектов по АРД-диаграммам необ­ ходимо определить коэффициент затухания ультразвука 5.

Коэффициент затухания поперечных воли 5 в низколегиро­ ванных сталях, применяемых в машиностроении, сильно изменя­ ется в зависимости от марки стали. Определение 5 производят с помощью эхо-сигналов от двугранного угла образца или свобод­ ного края изделия А0] и AQ2 АРД-диаграммы. При этом на

планшете находят такой угол поворота сетки планшета, при ко­ тором величина АА - А01 - А02 в косоугольных координатах со­ ответствует разнице в ординатах точек F и G на кривой донно­

го сигнала с абсциссами Я и 2Я (см. рис. 5.9).

Эквивалентный размер дефектов по АРД-диаграмме измеря­ ют в следующей последовательности:

1) выбирают АРД-диаграмму, соответствующую выбранно­ му типу преобразователя;

2)устанавливают косоугольную систему координат путем совмещения горизонтальной оси диска с соответствующим деле­ нием шкалы затухания на планшете;

3)измеряют максимальную амплитуду эхо-сигнала от де­ фекта А и его глубину залегания Н ;

4)на свободном от дефектов участке контролируемого изде­ лия или контрольного образца измеряют амплитуду опорного

(«донного») сигнала A Q и глубину отражателя Я В качестве

опорного сигнала при контроле ПЭП и РС-ПЭП чаще всего ис­ пользуется отражение от противоположной стенки изделия. При контроле наклонными ПЭП с углом Р = 30...45° в качестве опорного сигнала можно использовать отражение от двугранного угла свободного края или контрольного образца. При этом обяза­ тельно, чтобы двугранный угол был прямой, а чистота обработки поверхности грани была не хуже R: 40. В этом случае глубина

отражателя Я 0 . При р > 45е на вертикальную грань двугранного угла лучи падают под углом, меньшим 3-го критического, и ис­ пользовать отраженный сигнал в качестве опорного нельзя;

5)по АРД-диаграмме определяют расчетное значение дон­ ного сигнала А0 на той же глубине Я0 (точка В);

6)определяют приведенное значение амплитуды эхо-сигнала от дефекта А (точка С) по формуле: А' = ( А - AQ) + А^;

7)по проходящей через точку с координатами А; Я (точка D ) кривой определяют эквивалентный диаметр дефекта.

Опорный сигнал может быть получен от отверстия диамет­

ром б мм СО № 2 (по ГОСТ 14782 - 86). Его величина Ан соот­ ветствует ординате точки Е на АРД-диаграмме. В этом случае, если качество поверхности эталона № 2 и изделия идентичны, А'

находят по выражению

А* —(А —А%) + А{;>.

Измерение эквивалентной площади дефектов эхо-зеркальным методом (схема «тандем») производят как по специальным диа­ граммам (рис. 6.2), так и АРДТ-диаграммам, полученным из

обобщенных АРД-диаграмм совмещенных ПЭП путем соответст­ вующего преобразования размерностей по координатным осям или экспериментально. АРД-диаграммы РС-ПЭП строятся только экспериментально из-за невозможности учета всех факторов в акустическом тракте дефектоскопа.

Амплитуда сигнала AflA^, дБ

20 10 0* -10 -20 -30 -40 -50 -60

шштмшшш^жяаФАЪшимтА

шшштитуулшАьшхляяш

ътглтягтш

Рис. 6.2. АРДГ-днаграмма для определения эквивалентного диаметра дефекта при прозвучнвании эхо-зеркальным методом («тандем»):

/ - р = 50°,/= 1,8 МГц; 2 - Р = 30 и 40°,/= 1,8 МГц; 3 - Р = 5 0 ,/= 2,5 МГц;

4 - р = 30 и 40°,/= 2,5 МГц; 5 - р = 40°,/= 5 МГц (по В.Е. Белому)

Амплитудные методы оценки эквивалентных размеров де­ фектов (АРД-диаграммы) пригодны и в случае контроля изделий с криволинейной поверхностью (сферические сосуды, продоль­ ные швы трубопроводов и т.п.) [82].

Как следует из рис. 6.3, криволинейная контактная поверх­ ность, по сравнению с плоской, приводит к изменению угла ввода а , ракурса озвучивания дефекта <рд и деформации диаграммы

направленности - ее расширению и увеличению асимметрично­ сти, что вызывает дополнительное ослабление сигнала (рис. 6.4) [79, 82].