книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений
..pdfсекторах Б и Г - при больших. В секторах Б и Г сигнал от под
кладного кольца может совпасть с сигналом от двугранного угла трубы. Схемы контроля таких тройников в различных секторах шва приведены на рис. 7.41.
Р и с . 7 . 4 0 . Р а з м е т к а у г л о в о г о с в а р н о г о с о е д и н е н и я н а с е к т о р ы :
/ - г р а н и ц а у с и л е н и я ; 2 —г р а н и ц а з а ч и щ е н н о й з о н ы ( п а р а л л е л ь н о
г р а н и ц е у с и л е н и я )
Р и с . 7 . 4 1 . К о н т р о л ь у г л о в о г о с в а р н о г о
с о е д и н е н и я в р а з н ы х с е к т о р а х : а- к о н т р о л ь в с е к т о р а х Б, Г;
б- к о н т р о л ь |
в с е к т о р а х А, В\ |
в- к о н т р о л ь |
в с е к т о р а х I ... 4 |
Угловые сварные соединения труб различного диаметра с конструктивным зазором контролируют по описанной ранее ме
тодике ПЭП с Р = 50.. .53е , / = 5 МГц. Отличие ее заключается в
очень точной настройке рабочего участка экрана дефектоскопа по СОП с зарубками и тщательном измерении координаты х преоб
разователя.
Для труб малого диаметра (28...42 мм) с толщиной стенки 4...8 мм применяется методика контроля специальными преобра
зователями р = 53° и / = 5 МГц с неортогональным вводом
ультразвука.
Сущность контроля состоит в том, что акустическая ось пре образователя находится не в одной плоскости с образующей тру бы, как в обычных призматических ПЭП, а составляет с ней угол 25°. Благодаря этому при контроле отсутствуют мешающие сиг-
налы от двугранного угла, образованного внутренней поверхно стью и торцом трубы. Кривизна контактной поверхности ПЭП должна соответствовать кривизне контролируемой трубы. Кон троль проводят раздельно двумя ПЭП с левым и правым направ лением оси.
Ультразвуковой (так же как и радиографический) контроль угловых соединений с конструктивным зазором имеет низкую достоверность.
7.4.3. Контроль двусторонних тавровых соединений с конструктивным непроваром и сварных закладных деталей
При изготовлении ряда тавровых и угловых конструкций в центре шва допускается конструктивный непровар, размер кото рого требуется определять. Существуют две методики измерения ширины непровара: сравнением амплитуд эхо-сигналов от непро вара в шве и моделей непровара, выполненных в СОП; сравнени ем амплитуд эхо-сигналов от непровара в шве и бесконечной плоскости (безэтапонный метод, предложенный А.К. Гурвичем и А.С. Кукли). В обеих методиках используют ПЭП конструкции НИИ мостов, которые представляют собой призму с приклеен ными к ней пьезоэлементами, наклоненными под углом, обеспе чивающим пересечение диаграмм направленности искателей на глубине, равной толщине полки (рис. 7.42). Расстояние между точками ввода х = 2Я tg а .
При перемещении ПЭП по наружной поверхности полки в случае полного провара и отсутствия других крупных дефектов УЗ-колебания от передающего ПЭП через зону наплавленного металла переходят без отражений в лист стенки (рис. 7.42а). Если же в соединении окажется непровар, то часть УЗ-колебаний отра зится от него к приемному ПЭП (рис. 7.426). Амплитуды эхосигнала зависят в основном от ширины непровара 2Ь . При изме
рении ширины непровара по первому способу применяют специ альный СОП, изготовленный из того же материала, что и полка. В СОП делают прорези различной ширины на глубине, соответ-. ствующей толщине полки Я.
Соединения с недопустимой величиной непровара 2Ь кон
тролируют на такой чувствительности, при которой в СОП выяв ляются прорези шириной 2Ь мм. При таком уровне чувствитель
ности дефектоскопа будут уверенно выявляться непровары, ши рина которых превосходит допустимую величину на 1 мм и бо лее. Практикой установлено, что погрешность в определении ши рины непровара не превышает 1 ...1,4 мм. Влияние качества по верхности на результаты измерения и необходимость использо вания СОП исключаются при безэталонном методе.
в
Р и с . 7 . 4 2 . Б е з э т а л о п н ы й м е т о д к о н т р о л я т а в р о в ы
а- п р и о т с у т с т в и и д е ф е к т а ; б- п р и н а л и ч и и
в- у с т а н о в л е н и е у р о в н я о п о р н о г о ( д о н н о г о )
хс о е д и н е н и й :
де ф е к т а ;
си г н а л а
Безэталонный метод основан на сравнении амплитуды эхосигнала от непровара А с амплитудой эхо-сигнала от бесконечной плоскости А о, расположенной на той же глубине, что и непро
вар,- В качестве такой плоскости следует использовать поверх ность полки. Безэталонный метод может быть реализован с по мощью дефектоскопов, имеющих калиброванный аттенюатор. В связи с тем что этот метод основан на сравнении амплитуд эхосигналов от непровара А й плоскости А 0, контролю должен
предшествовать расчет зависимости АЛ =f(2 b ) или ее экспе
риментальное построение. На рис. 7.43 в качестве примера пока зана зависимость Д А =f (2Ь ), снятая с помощью дефектоскопа
УД-11ПУ для соединений с толщиной полки Н = 25 мм и ПЭП с
параметрами р = 40°, / = 1,8 МГц, 2а =5 мм. На основе большо
го числа статистических данных, накопленных при применении беззтапонного метода контроля тавровых соединений с конструк тивным непроваром, установлено, что погрешность измерения ширины непровара равна 0,5... 1 мм.
АЛ, дБ
Рис. 7.43. Зависимость относительной величины эхо-сигнала АА от ширины непровара 2Ь
Неразрушающий метод контроля сварных соединений за кладных деталей, изготовленных сваркой под флюсом, впервые разработан в МГТУ им. Н.Э. Баумана [1]. Установлено, что един ственно приемлемым неразрушающим методом контроля данных конструкций является ультразвуковой, а оценка размеров дефек тов - по амплитуде эхо-сигнала.
В основу методики контроля заложен безэталонный метод оценки с использованием РС-ПЭП конструкции МГТУ им Н.Э. Баумана (рис. 7.44).
Рис. 7.44. Контроль закладных деталей:
а - установление опорного сигнала; б -измерение амплитуды эхо-сигнала от дефекта
Для практической реализации безэталонного метода контроля построены зависимости амплитуды эхо-сигнала от площади ре
альных дефектов АЛ = f ( S a) для закладных деталей всех типо
размеров.
На рис. 7.45 -в качестве примера показана зависимость, полу ченная при прозвучивании специальным РС-ПЗП на частоту 2,5 МГц реальных сварных соединений и последующем вскрытии.
АЛ, дБ
10 30 50 70 90 ПО 130 150 170 мм
Рис. 7.4S. Зависимость относительной величины эхо-сигнала АА от площади реального дефекта SA
7.4.4. Контроль нахлесточных соединений
Ультразвуковой контроль соединений, сваренных внахлестку, производится ПЭП на частоту 2,5...5 МГц обычно со стороны нижнего листа однократно отраженным лучом по совмещенной схеме (рис. 7.46а). При такой схеме контроля выявляются трещи ны, непровары вертикальной кромки и корня шва, а также оди ночные дефекты по сечению шва.
Угол ввода луча выбирается из соотношений: если kxfk2 < 1,
то р = 30°; если 1 < k jk 2 < 1,5, то р = 40й; если кх/к2 > 1,5, то
Р= 50°
Вслучае ограниченной протяженности основного листа кон троль следует вести ПЭП с максимально возможным углом ввода,
определяемым по выражению: ocmax > arctg^(xmax + 2 0 ^ 2 # , J .
Для обеспечения прозвучивания всего сечения шва ПЭП пе ремещают в пределах: xmin = 2tf,tga ; *тах =2tf,tga+A 1.
б
в
Рнс. 7.46. Контроль нахлесточных соединений:
а - по совмещенной схеме; б - зеркально-теневой метод при отсутствии дефекта;
в~ зеркально-теневой метод при наличии дефекта
Вработе Б.М. Табаковой (НРБ), исходя из условий макси мальной прозвучиваемости сечения шва (90...95 %), сформулиро ваны требования к форме и размерам усиления шва. Установле но, что максимальный размер вогнутости шва относительно ги потенузы, соединяющей катеты шва, не должен превышать 2 мм,
авыпуклости - 3 мм. Рабочий участок на экране дефектоскопа, соответствующий найденным пределам перемещения, устанавли вается по СОП (рис. 7.47а) в соответствии с порядком, изложен
ным выше. Чувствительность дефектоскопа настраивается по СО № 1 или СОП с искусственным дефектом. При контроле нахлесточных соединений наиболее оптимальным отражателем для настройки чувствительности дефектоскопа является так называе-
Рнс. 7.47. СОП для настройки чувствительности дефектоскопа при контроле нахлесточных соединений:
а - по совмещенной схеме; б - зеркально-теневой метод
Однако данная схема не гарантирует надежное выявление непровара и несплавления у нижней кромки. Это объясняется тем, что УЗ-луч, попадая на горизонтальный плоский дефект, отражается под тем же углом и не возвращается на ПЭП. Для лучшего обнаружения дефектов, залегающих в зоне кромки ниж него пояса, рекомендуют дополнительное (дублирующее) прозвучивание со стороны верхнего листа прямым лучом (схема I )
ПЭП с углом призмы 30° на частоту 2,5 МГц изделий толщиной 20 мм и более. При контроле изделий меньших толщин наиболее эффективен контроль однократно отраженным лучом (схема I I )
ПЭП с углом призмы 50° на частоту 5 МГц.
Для конструкций ответственного назначения целесообразнее применять зеркально-теневой метод (см. рис. 7.466, в), обеспечи вающий уверенное обнаружение горизонтальных дефектов. При отсутствии дефекта УЗ-колебания проходят от излучателя через бездефектное место к приемнику и на экране появляется им
пульс. Если в соединении имеется дефект, то амплитуда эхосигнала отсутствует или незначительна. При данной схеме кон троля расстояние между точками ввода ПЭП должно строго со
блюдаться: х = (2Я, + 3tf2)tgoc, что выполняется благодаря за
креплению ПЭП в держателе; позволяющем поворачиваться им в вертикальной плоскости и обеспечивающем тем самым их пере мещение на разных уровнях при постоянном х.
а
Р и с . 7 . 4 8 . С О П д л я н а с т р о й к и ч у в с т в и т е л ь н о с т и д е ф е к т о с к о п а п р и к о н т р о л е н а х л е с т о ч н ы х с о е д и н е н и й - а ; п о л я р н а я г и с т о г р а м м а р а с п р е д е л е н и я
д е ф е к т о в в н а х л е с т о ч н ы х с о е д и н е н и я х - б | 7 7 |
Зона перемещения ПЭП, при которой обеспечивается прозвучивание всего сечения шва, должна быть примерно равной к2.
При перемещении ПЭП, в случае отсутствия дефектов, эхосигнал на экране дефектоскопа будет исчезать только на концах зоны перемещения.
Чтобы оценить степень годности изделия к эксплуатации, из готовляют СОП (см. рис. 7.476), в котором 2Ь соответствует до
пустимому размеру. Далее устанавливают ПЭП на СОП и опре деляют начало и конец зоны перемещения на определенном уроьне чувствительности.
Условно за конец и начало зоны перемещения можно принять положения, при которых амплитуда эхо-сигнала снижается в 2 раза от максимальной. Если при контроле в производственных
условиях окажется, что зона перемещения ПЭП на реальной кон струкции меньше величины, полученной по СОП, то такое со единение считается бракованным. Одной из основных сложно стей перед разработчиками методик УЗ-контроля является назйачение уровня браковочной чувствительности. Учитывая это об стоятельство и зная нормы допустимых дефектов, оговоренных СНиП 111-18-75, предлагается один из возможных вариантов назначения примерного уровня браковочной чувствительности при оценке одиночных дефектов в стыковых, тавровых, нахлесточных и угловых соединениях (табл. 7.4).
Таблица 7.4
Примерный уровень браковочной чувствительности
Т о л щ и н а |
У г о л п р и з м ы П Э П , г р а д , |
Р а б о ч а я |
Б р а к о в о ч н а я ч у в с т в и |
||
с т ы к у е м ы х |
Р п р и к о н т р о л е |
ч а с т о т а , |
т е л ь н о с т ь п р и к о н |
||
э л е м е н т о в , |
|
|
М Г ц |
т р о л е , м м |
|
ММ |
прямым |
о д н о к р а т н о |
|
н и ж н е й |
в е р х н е й |
|
л у ч е м |
о т р а ж е н н ы м |
|
ч а с т и |
ч а с т и |
4 . . . 6 |
5 5 |
5 0 |
5 |
1 5 |
1 5 |
С в . 6 ... 1 0 в к л |
5 3 |
5 3 |
5 |
1 5 |
2 0 |
» 1 0 . . . 2 0 |
5 3 / 5 0 |
5 0 |
2 , 5 |
2 5 |
4 0 |
» 2 0 . „ 4 0 |
5 0 |
4 0 |
2 , 5 |
3 5 |
4 0 |
» 4 0 . . . 8 0 |
5 0 |
4 0 |
2 , 5 / 1 , 8 |
4 0 |
4 5 |
Точные параметры контроля, на основе которых дается за ключение о годности к эксплуатации изделия, устанавливаются в каждом конкретном случае в соответствии с техническими усло виями на ее изготовление.
7.5. Ко н т р о л ь с в а р н ы х с о е д и н е н и й
ИЗ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
7.5.1. Особенности УЗ-контроля сварных соединений из аустенитных сталей
Трудности при УЗ-контроле. Ультразвуковая дефектоско пия в ряде отраслей промышленности (железнодорожный транс порт, судостроение, энергетическое и химическое машинострое ние) является основным методом неразрушающего контроля сварных соединений из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Это обусловлено, прежде всего, высокой достоверностью (90...95 %) обнаружения плоскостных дефектов, низкой стоимо стью и высокой оперативностью.
Вто же время существует группа соединений с анизотропной крупнозернистой структурой (аустенитные и аустенитно ферритные сварные швы), ультразвуковой контроль которых за труднен и до сих пор является одной из актуальных проблем ультразвуковой дефектоскопии.
Сложность УЗ-контроля указанных соединений связана с вы соким уровнем структурных помех, большим затуханием и ано мальным распространением ультразвука.
Применение традиционного метода контроля наклонными совмещенными преобразователями далеко не всегда обеспечива ет необходимое отношение полезный сигнал/помеха, равное 6 дБ. Это приводит к тому, что на фоне сигналов структурных помех на экране дефектоскопа практически невозможно различить эхосигналы от дефектов. Изменение параметров контроля, основан ное на полученных в работах [29, 46] аналитических зависимо стях между амплитудой полезных сигналов и амплитудой струк турных помех, не обеспечило существенного повышения отно шения полезный сигнал/помеха. Связано это с тем, что расчет уровня структурных помех проводился для условий объемной реверберации (рассеяние ультразвука на равноосных зернах) с учетом первичного рассеяния:
•длительность рассеивания отдельными зернами равна дли тельности излученного импульса;
•рассеяние считается равномерным по всем направлениям. При этом не учитывается повторное рассеивание УЗ-волн. Такое приближение допустимо лишь в случае контроля сравнительно мелкозернистых материалов, когда средний размер зерна D значительно меньше длины УЗ-волны X .
Вработах Н.В. Химченко показано, что затухание УЗ-волн и соответственно уровень структурных помех в значительной мере обусловлены содержанием феррита в аустенитно-ферритных швах, который способствует измельчению зерна и тем самым повышает отношение сигнал/помеха. На использовании этой осо бенности основана специальная методика УЗ-контроля аустенит ных швов толщиной 4...25 мм.
Отношение полезный сигнал/помеха можно повысить за счет применения статистических методов выделения сигналов на фоне структурных помех. Однако при статистическом накоплении сиг налов в процессе перемещения преобразователя невозможно точ но указать местоположение дефектов, а также теряется информа