книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

Р и с . 6 . 3 . И з м е н е н и е р а к у р с а о з в у ч и в а н и я д е ф е к т а :

а - от угла ввода; 6 - от положения ПЭП

Р и с . 6 . 4 . И з м е н е н и е ш и р и н ы д и а г р а м м ы н а п р а в л е н н о с т и 9 о з н а у р о в н е 0 , 5 о т п а р а м е т р о в п р и з м ы и р а д и у с а к р и в и з н ы и з д е л и я :

1- плоская граница; 2 - 7 - сферическая граница (5|< р; 2 - /n/RH= 0,1; 3 - 0,2; Р« = р; 4 - 0,1; 5 - 0,2; р, > Р; 6 -0 ,1 ; 7 -0 ,2

Как показано В. М. Ушаковым, наименьшая деформация диа­ граммы направленности наблюдается, когда ПЭП сопряжен (при­ терт) с поверхностью изделия, радиус кривизны поверхности ле­ жит в плоскости падения луча, а угол наклона акустической оси равен углу призмы (рис. 6.5). В этом случае соотношение ампли­ туд эхо-сигналов от одного и того же отражателя в изделии с криволинейной А^ и плоской поверхностями имеет вид;

,, л (r+mlncosa/cos(3)2 Я]ф(фаб)

А к р / А пп ~ ,		ч2 4	( 6 . 1)
	(г + /и/пcosa/vv cosp) v
Здесь Л,ф(фд0)	- коэффициент	отражения поперечных волн	от дефекта;
v = (l + /п/Л )2 ,	v' = ( l+ /„//?„ cosa)2	- приведенные параметры кривизны криво­

линейной поверхности; фд - угол между акустической осью пучка и нормалью в

точке падения на отражатель; 0 - угол отклонения плоскости поляризации от плоскости, перпендикулярной к отражателю. Остальные обозначения те же, что в

гл. 2. Коэффициент Л,ф (фд)0 = 0 может быть найден из рис. 6.6.

Рис. 6.5. Подготовка ПЭП для контроля продольных (пазовых) швов труб:

а- проточка призмы (пунктир), обеспечивающей сохранение угла ввода

иминимальное расширение диаграммы направленности; б - конструкция опоры;

в- использование опоры

Для других вариантов сопряжения в правую часть выражения (6.1) добавляется сомножитель в виде отношения коэффициентов

прозрачности Dlt (Р1)/Д, (J3) соответственно для криволинейной

и плоской поверхностей, где

- угол наклона акустической оси

Рис. 6.6. Номограмма для определения коэффициента отражения /?эф(<р.0б = О ог плоских дефектов (по В.М. Ушакову)

При малом параметре кривизны (/п//?н < 0,05) отношение практически не зависит от угла ввода в области

40е < а < 60° С возрастанием параметра кривизны эта зависи­ мость от угла становится существенной.

Выражение (6.1) может быть легко использовано путем пере­ счета обычных АРД-диаграмм для построения АРД-диаграмм при контроле изделий с криволинейной поверхностью.

Экспериментальные исследования показали, что в ближней и переходной зонах ультразвукового поля (вплоть до 3гб) различ­ ные экземпляры ПЭП в пределах одного типа дают разброс по амплитуде эхо-сигнала за счет вариаций: длительности импульса, акустических свойств конструктивных материалов и т.п., поэтому для повышения точности измерений целесообразно строить ин­ дивидуальные (для каждого экземпляра ПЭП) АРД-диаграммы.

Для построения АРД-диаграмм обычно используют комплект образцов с набором отверстий, диаметры которых и расположе­ ние по глубине перекрываютзаданный диапазон вариаций.

В ЦНИИТМАШе A.JI. Блюменым и Я.Ю. Самедовым разра­ ботана расчетно-экспериментальная методика построения АРД-

диаграмм на меньшем (чем обычно требуется) числе образцов. Способ основан на аппроксимации основного уравнения акусти­ ческого тракта функцией вида:

г д е К\, K2i Кj , КА -	п а р а м е т р и ч е с к и е к о э ф ф и ц и е н т ы , о п р е д е л я ю щ и е	ф о р м у
к р и в ы х А Р Д - д и а г р а м м	( ЛГ, и Кг п р и г<гб , К3 и КА п р и г > г б ) ; К0 -	н о р м и ­

р у ю щ и й п а р а м е т р и ч е с к и й к о э ф ф и ц и е н т д а л ь н е й з о н ы . В с е э т и к о э ф ф и ц и е н т ы н а х о д я т э к с п е р и м е н т а л ь н о .

Так как наклон кривых АРД-диаграмм в ближней зоне зави­ сит от диаметра отражателя, то для повышения точности аппрок­ симации необходимо иметь несколько рядов отражателей разного диаметра и для каждого определять коэффициенты

Описанные АРД-диаграммы построены для полубезграничной среды, т.е. для случая, когда отраженный эхо-сигнал не ин­ терферирует с сигналом от стенок изделия. В листовых конст­ рукциях малой толщины до 30...40 мм при многократных отра­ жениях от стенок вследствие интерференции становится замет­ ным волноводный эффект. В этом случае пользоваться стандарт­ ными АРД-диаграммами нельзя. При контроле трижды и более отраженным лучом и для заданных параметров контроля необхо­ димо построить экспериментальные АРД-диаграммы для кон­ кретной толщины листа [33, 50].

6.3.2.Оценка величины дефектов по условным размерам

Наряду с амплитудным широкое распространение получил способ оценки величины дефектов путем определения их услов­ ных размеров на поверхности изделия. Он состоит в том, что при сканировании вдоль дефекта на поверхности изделия измеряется расстояние между положениями преобразователя, в которых при заданном уровне чувствительности дефектоскопа эхо-импульс от дефекта исчезает с экрана.

Как видно из рис. 6.7, условные размеры дефектов превыша­ ют их действительные размеры за счет широкой диаграммы на­ правленности преобразователя Полуширина диаграммы направ­ ленности Д/ определяется относительным уровнем чувствитель­ ности, на котором производится измерение, N = Азт/А п где А^ и

An - амплитуды сигналов от отражателя, измеренные централь­

ным и боковым лучами диаграммы направленности. Поэтому условные размеры дефектов определяются диаграммой направ­ ленности преобразователя и амплитудой отраженного сигнала 4 ,, пропорциональной величине дефекта.

Рис. 6.7. Измерение условной протяженности дефектов прямым (а), наклонным (6) преобразователями н условной высоты (с)

Измерение условных размеров путем определения координат его крайних точек может производиться двумя способами: отно­ сительным и абсолютным. При относительном способе крайними считают положения преобразователя, в которых для данного де­ фекта N =const. Для дефектов размером Ь< а этот способ не

дает представления о действительных размерах, т.к. дефект при смещении преобразователя будет фиксироваться всегда при ка­ ком-то одном угле ср = const. Для дефектов размером b > а этот

способ дает хорошие результаты, т.к. AL линейно будет связан с

размером дефекта.

При абсолютном способе измерение условных размеров про­ изводится на постоянном уровне чувствительности, установлен­ ном при эталонировании =const. В этом случае при увеличе­ нии b, N увеличивается также и AL (см. рис. 6.7). Поэтому

обычно изменение условной протяженности дефекта вдоль шва и условной высоты по сечению шва производится абсолютным способом.

Для отражателей малых размеров а>Ь их условная протя­

женность определяется только шириной диаграммы направлен­ ности на данном уровне N (рис. 6.8). Такие дефекты на практике

называются точечными, или компактными.

При увеличении размеров дефектов (TV> 0 ,5 ) наблюдается замедление возрастания AL по сравнению с расчетом, и экспе­

риментальная зависимость близка линейной. Это объясняется тем, что с увеличением b индикатриса рассеяния сужается, и

дефект фиксируется при меньших углах ф . В области b > >fkr

эхо-сигнал от дефекта равен отражению от плоскости, и зависи­ мость AL = \y(2b, Ayf AJJ ^ линейна. При этом величина А/ оп­ ределяется уровнем чувствительности Азт; она постоянна для

этого уровня.

Условная ширина АХ измеряется длиной зоны перемещения

преобразователя перпендикулярно ко шву между двумя крайни­ ми положениями, в которых появляется и исчезает эхо-сигнал от дефекта. Измерение АХ удобно производить при механизиро­

ванном контроле. Однако необходимо учитывать, что дефекты, ориентированные в плоскости листа (расслоения), будут характе­ ризоваться малой АН и значительной АХ Поскольку измере­ ние АХ часто дает ложную информацию, на практике, особенно

при ручном контроле, более важной характеристикой является условная высота АН

Условная высота дефекта АН = Н2- Я, определяется разно­

стью глубин, измеренных в крайних положениях искателя при перемещении его перпендикулярно длине шва. При замере ус­

ловной высоты ДН импульс на экране ЭЛТ двигается в пределах

некоторой зоны по огибающей, а затем исчезает (см. рис. 6.1б).

	Величина АН измеряется на том же уровне чувствительно­
сти	и при тех же положениях преобразователя на поверхно­

сти, при которых измеряется АХ

kaL /-jl'} +г2

Р и с . 6 . 8 . З а в и с и м о с т ь у с л о в н о г о	р а з м е р а L о т р а ж а т е л я о т у р о в н я
ч у в с т в и т е л ь н	о с т и N=AJA„

Для небольших дефектов с широкой индикатрисой рассеяния АН и АХ связаны пропорциональной зависимостью, выраженной

через простые тригонометрические соотношения. Но для боль­ ших дефектов, обладающих направленными свойствами, эта за­ висимость нарушается, что позволяет по их соотношению АХ/АН

судить о типе дефекта [33].

Определение условной высоты небольших дефектов связано с большими измерительными погрешностями и практически не дает новой информации об их величине по сравнению с измере­ нием амплитуды, поэтому ее целесообразно измерять только из опасения не пропустить какой-либо крупный плоскостной дефект со слабой отражательной способностью (вертикальную трещину).

На рис. 6.9а приведен график зависимости АН от высоты И

корневых трещин и' непроваров в сварных швах паропроводов с толщиной стенки 36 мм,, полученный на уровне чувствительности S„ = 10,5 мм2(f= 1,8 МГц, а *= 50°).

2 4 6 8 10 12 14 16Дт>мкс

-t | I I		i— >		1------	*	*	*
10	20	30	40	50	60	70	80	90	ДЯ,мм

Рис. 6.9. Зависим ость условной вы соты £ Л - 1 и пробега Ат - 2 от истинной вы соты Л корневы х трещ ин и непроваров (а); кривы е зависимости в ф ункции глубины залегания бокового цилиндрического отверстия.

Ц иф ры на кривы х - частота и угол ввода ПЭП (б)

ГОСТ 14782 - 86 рекомендует при контроле наклонным пре­ образователем определять условную высоту дефекта путем срав­ нения времени пробега по линии развертки эхосигналов от де­ фекта и от бокового цилиндрического отверстия на уровне 6 дБ, т.е. при уменьшении амплитуды эхо-сигнала на 6 дБ от макси­ мального значения. Отражение от отверстия позволяет учесть диаграмму направленности преобразователя Если время пробега от дефекта больше, чем от отверстия, это означает, что дефект имеет развитие по высоте.

И.Н. Ермоловым и А.К. Гурвичем показано, что если пренеб­ речь затуханием, то в дальней зоне преобразователя время пробе­ га от отверстия At линейно возрастает с увеличением глубины залегания h этого отверстия, причем прямая проходит через нача­

ло координат. Действительно, задание раскрытия диаграммы на­ правленности на определенном уровне означает, что задан угол расхождения лучей этой диаграммы, а расстояние между задан­ ными лучами с увеличением расстояния от центра преобразова­ теля (вершины угла) линейно увеличивается.

Линейная зависимость удобна для практического контроля, поскольку достаточно измерить время пробега от отверстия на некоторой глубине h и, экстраполируя результат, получить вели­ чину At для других глубин залегания.

И.Н. Ермоловым получены экспериментальные зависимости At (А) для некоторых наклонных преобразователей из комплекта ПРИЗ-Д5 (рис. 6.9б).

Им показано, что зависимость At в функции от А, как прави­

ло, представляется прямыми линиями, искривляющимися на больших расстояниях под влиянием затухания. На малых рас­ стояниях А на ход кривых влияет ближняя зона преобразователя. В то же время для некоторых преобразователей кривые сильно отличаются от прямых. Это, например, относится к кривой 2,5; 65 для преобразователя на частоту 2,5 МГц, с углом ввода 65°, кото­ рая имеет «горб» для значений А» 20 мм.

Этот эффект объясняется тем, что стрела преобразователя не­ достаточно велика, излучаемый пьезопластиной ультразвуковой пучок попадает на передний угол призмы преобразователя, вер­ шина угла становится «блестящей точкой» - вторичным дифрак­ ционным излучателем ультразвука, излучение которого интерфе­ рирует с основной диаграммой направленности.

Таким образом, отступление от линейной зависимости вызы­ вается недостаточной величиной стрелы наклонного преобразо­ вателя. Поэтому для надежной оценки развития дефекта по высо­ те путем сравнения времени пробега эхо-сигнала по линии раз­ вертки для естественного дефекта и для бокового цилиндриче­ ского отражателя последний необходимо выполнять на той же глубине, что и дефект, не полагаясь на существование линейной зависимости времени пробега от глубины залегания отражателя.

В большинстве существующих норм оценки качества протя­ женные дефекты не допускаются (AL/AL0). Здесь параметр с ин­

дексом «О» характеризует условные размеры эталонного ком­ пактного отражателя, находящегося на глубине дефекта. Поэтому для уменьшения погрешностей оценки величины дефектов целе­ сообразно измерять относительные условные размеры: AL/AL0;

АХ/АХ0\ ДЯ/ДЯ0.

Значение ДL0 легко может быть определено по полученной

автором и подтвержденной экспериментально формуле

AL0 = \,33rN ml(2qf),

(6.2)

где г = г„+гм- общий путь от пьезопластнны в призме и металле, мм; 2а - размер (диаметр) пьезопластины в плоскости ортогональной плоскости падения, м м ;/- частота ультразвуковых колебаний, МГц; N = 201g - площадь кон­

трольного отражателя на глубине дефекта; 5бр - соответствует значению наи­ большей допустимости эквивалентной площади одиночного дефекта для данной толщины изделия по действующей НТД (СНиП, Правила контроля, ТУ и т.д.).

По выражению (6.2) целесообразно построить номограммы. Дефект считают протяженным, если AL > ДL0, и компактным (то­ чечным), если AL < AL0. Практически установлено, что в среднем AL0= 7 мм при Я ^ 30 мм; AL0= 10 мм при Я = 30...50 мм.

Условная протяженность дефектов в кольцевых швах трубо­ проводов увеличивается с увеличением толщины стенки и уменьшением диаметра трубы. Для этих швов вычисляется при­ веденная условная протяженность ALh по формуле

A i/,= M [(D „ -2 A )/D H] ,

где ДL - протяженность дефекта, измеряемая по наружной поверхности;

£>н - наружный диаметр контролируемой трубы, мм; А - глубина залегания

дефекта, мм.

Приведенная протяженность дефектов, залегающих у корня шва, вычисляется по формуле

Д£н =Д£(£>у/Я „),

где Dy - внутренний диаметр трубы, мм.