книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

При УЗ-контроле часто возникают помехи, влияющие на дос­ товерность контроля. Все помехи можно разделить на два вида: помехи в электрическом тракте и в акустическом.

Электрические помехи бывают внешние и внутренние. Внешние имеют импульсный характер и случайны во времени. Их появление вызвано работой тиристорных пускателей, свароч­ ных постов, релейных переключателей и т.п. Эти помехи по виду легко отличимы от полезных сигналов при ручном контроле, но весьма мешают при контроле с автоматической обработкой ин­ формации.

Внутренние электрические помехи связаны с неисправностью элементов дефектоскопической аппаратуры и должны быть уст­ ранены путем ремонта последней.

Причины возникновения ложных сигналов в акустическом тракте весьма разнообразны. К ним относятся: реверберационные шумы в призме, демпфере, ПЭП и контактном слое; ложные сиг­ налы, возникающие при объемной реверберации зондирующего импульса предыдущей посылки; сигналы вследствие структурной реверберации в крупнозернистом металле; сигналы от локальных зон с повышенным уровнем напряжений, упруго анизотропных зон и т.д.

Улучшение реверберационно-шумовой характеристики дос­ тигается оптимизацией конструкции ПЭП. Очень эффективно для этой цели применение переходных слоев между пьезоэлементом и демпфером и пьезоэлементом и призмой. Кардинально решает­ ся вопрос с удалением шумов в дифференциальных ПЭП, пред­ ложенных ЦНИИТМАШем.

Длительная объемная реверберация, в результате которой фиксируются сигналы от предыдущей посылки, возникает в из­ делиях ограниченного объема с малым затуханием ультразвука. Устраняют ее изменением частоты посылок зондирующего им­ пульса.

Структурная реверберация обычно возникает в аустенитных сварных соединениях или нетермообработанных соединениях сталей перлитного и ферритно-мартенситного классов.

После термообработки структура соединения выравнивается и уровень шумов существенно снижается.

Очень часто за сигналы от дефектов принимают отражения от различных конструктивных элементов сварного соединения

(подкладок, «усов», проточек в околошовной зоне и т.п.). В большинстве случаев эти сигналы легко идентифицируются пу­ тем определения истинных размеров и конструкции сварного соединения.

Одной из причин появления ложных сигналов являются эф­ фекты, обусловленные повышенным коэффициентом затухания ультразвука, вследствие чего наблюдаются квазирефракция («ис­ кривление» диаграммы направленности) волн и ошибочное опре­ деление координат отражателей.

Если шов и околошовная зона представляют собой упруго анизотропные среды, помимо прямого отражения ультразвука от границы сплавления на ней наблюдаются также преломление и трансформация волн и появление ложных сигналов. Особенно это характерно для сварных соединений из сталей аустенитного класса. Н.Т. Азаровым и др. показано, что если скорость попе­ речных волн в шве на 18...20 % ниже, чем в основном металле, на границе сплавления волна преломляется (рис. 7.81 о) и фиксиру­ ется интенсивный сигнал от донной поверхности. В частности, в сталях 08Х15Н52Т с присадкой из стали ЭП-659 при прозвучива-

нии ПЭП с (3 = 40° на f =2,5 МГц этот сигнал по величине поч­

ти равен сигналу от бесконечной плоскости, нормальной лучу. На рис. 7.816, в приведены другие возможные причины появления

ложных сигналов.

Рис. 7.81. Появление ложных сигналов при прохождении через границу наплавленного металла

Для идентификации сигналов полезно измерить разницу в скоростях поперечных волн в шве и основном металле. Проще всего это сделать, как предложено Н.Т. Азаровым, путем регист­ рации времени прихода сигнала от бокового цилиндрического отражателя, просверленного на границе сплавления, и измерения времени tm и t0M соответственно при установке ПЭП на шов и

на основной металл (рис. 7.82). Так как расстояние / остается постоянным, то

где tn - время прохождения звука в призме.

По мере увеличения чувствительности ультразвукового кон­ троля повышается уровень ложных сигналов.

Рис. 7.82. Определение изменении скорости ультразвука в металле шва

Одна из причин появления ложных сигналов - помехи, созда­ ваемые побочными волнами, излучаемыми ПЭП. Особенно это проявляется при эксплуатации многоканальных акустических блоков (матриц ПЭП) в установках автоматизированного кон­ троля.

В ЦНИИТМАШе проведена экспериментальная оценка уровня помех, создаваемых отражениями от конструктивных элементов контролируемого изделия поверхностными волнами, излучаемыми наклонным ПЭП, работающим в диапазоне между первым РкрИТ1 и

водили по опорному сигналу Аоп поперечных волн, отраженных

от бокового цилиндрического отражателя диаметром 4 мм в этом же образце, а также по опорному сигналу ARon от ребра образца,

расположенного на расстоянии 180 мм от центра излучения.

Из полярных диаграмм (рис. 7.83) следует, что преобразова­ тели типа Н и ИЦ-52 не имеют ярко выраженной направленности поля поверхностных волн в азимутальной плоскости. Оба эти фактора вызваны конструктивными особенностями, в частности различной величиной и формой пьезоэлемента, геометрическими размерами призм и, по-видимому, импедансным влиянием метал­ лического корпуса, и обусловливают меньшую помехоустойчи­ вость преобразователей типа Н и ИЦ-52.

Рис. 7.83. Полярные диаграммы поля поверхностной волны

вазимутальной плоскости:

/- для ПЭП WB80N 2;/= 2 МГц, а = 80°; 2 - WB35N 2;/= 2 МГц, а = 34°; 3 - ИЦ-52 ЦНИИТМАШа;/= 1,5 МГц, а = 63°, 4 - Н = 50 ПО «Волна»,

/= 2,5 МГц, а = 60°

Одним из источников помех являются эхо-сигналы от отра­ жения боковых волн. Работами ЦНИИТМАШа показано, что при любых углах ввода ПЭП, а не только при критических, как это раньше считалось, в металле возникает головная продольная вол­ на, которая, распространяясь под поверхностью, переизлучает боковые волны, отходящие в глубь изделия (рис. 7.84).

Рис. 7.84. Расчетные диаграммы направленности поля продольных волн ПЭП:

р= 27,5';-------- 8 = 35 1/м;--------- 8=0; сп=2670 м/с; сд= 5900 м/с; а/= 15 мм [13]

Вто же время головная поперечная волна, возникающая при угле, равном 2-му критическому, переизлучает боковую продоль-

ную волну. Эти боковые волны, отражаясь от конструктивных элементов изделия, при высоких уровнях чувствительности при­ водят к появлению трудно расшифровываемых ложных сигналов.

Основной помехой при контроле сварных соединений малых и средних толщин (до 25...30 мм) является отражение ультразвука от неровностей шва - усиления (выпуклости) и провисания. А.З. Райхманом и С.П. Переваловым [65] показано, что эта поме­ ха состоит из поперечных волн, обратно отраженных по законам геометрической акустики - (геометрических), и волн, переизлученных неровностями - дифракционных.

Из рис. 7.85 следует, что при контроле по стандартной схеме одним ПЭП соотношение полезный сигнал - помеха сильно зави­ сит от угла падения ультразвуковых колебаний на ребро сопряже­ ния или, соответственно, угла ввода. Уровень дифракционных по­ мех падает с уменьшением угла ввода, но при этом уменьшается и выявляемость отражателя типа плоскодонного отверстия [65].

Анализ, проведенный В.Т. Власовым, показал, что в боль­ шинстве случаев при среднестатистических размерах и конфигу­ рации усиления шва интенсивность дифракционной помехи явля-

Рис. 7.85. Влияние угла ввода на отношение полезный сигнал - помеха [19]

Дифракционные помехи имеют несколько составляющих. Вопервых, при падении поперечной волны на ребро сопряжения валика усиления шва с поверхностью основного металла возни­ кает поверхностная волна, распространяющаяся по цилиндриче­ ской поверхности. Эти волны последовательно, переотражаясь от заднего и переднего ребер сопряжения, трансформируются в этих точках и переизлучают объемные волны, собственно и фикси­ руемые как помеха.

Поверхностные волны всегда возникают на сопрягаемой по­ верхности. Максимальное амплитудное значение они имеют при соотношении угла ввода а и угла сопряжения у, определяемым выражением: а = 90° - у. При этом вектор смещения падающей

на ребро поперечной волны перпендикулярен сопрягаемой плоскости.

Во-вторых, при падении на ребро поперечной волны всегда возникают трансформированные продольные волны, причем их интенсивность обратно пропорциональна интенсивности поверх­ ностных волн.

В диапазоне углов сопряжения у = 10...50°, что соответствует реальным среднестатистическим значениям у швов толщиной 6...20 мм, наименьшие изменения амплитуд поверхностных и продольных волн наблюдаются при углах ввода а = 60...70°, при этом помехи от продольных волн имеют минимальные значения.

В-третьих, на ребрах сопряжения возникают головные волны. Помехи от головных волн имеют максимальное значение при

условии а = -0,52у+92° а область существования головных

волн определяется уравнением а > -0 ,5 2 у +92° [19]. В-четвертых, на ребрах сопряжения падающие поперечные

волны непосредственно трансформируются в продольные, кото­ рые также являются помехой.

Вследствие неопределенной геометрии усиления (провиса­ ния) и углов сопряжения энергетические и временные характери­ стики сигналов помех являются стохастическими. При этом в силу отличия скоростей различных волн зона помех занимает достаточно большой временной интервал на развертке дефекто­ скопа, что затрудняет идентификацию полезного сигнала и пре­ допределяет невозможность применения метода временного селектирования (отстройка путем стробирования) при прозвучивании прямым или однократно-отраженным лучом.

Одним из технологических приемов повышения достоверно­ сти контроля является метод прозвучивания многократно отра­ женным лучом, предложенный А.К. Гурвичем и А.С. Кукли [33]. Ими, а затем и в работе [50] показано, что увеличение числа от­ ражений увеличивает соотношение полезный сигнал - помеха и, кроме того, при этом выравнивается чувствительность по толщи­ не листа.

Существенное снижение уровня помех достигается при при­ менении ПЭП типа «дуэт» (рис. 4.7г), у которых угол осмотра (т.е. азимутальный угол между осью пучка и нормалью к оси

шва) составляет 36°, а угол ввода а - 65...67° [19]. При этом наи­ более эффективно использование разной кратности отражений акустических осей приемного и излучающего пьезоэлементов. В этом случае выявляемость дефектов различного типа гораздо выше, чем при равной кратности.

а

А,

дБ

б

Рис. 7.86. Зависимость амплитуды сигналов от эквивалентной площ ади отраж ателя при прозвучнванин совмещ енным ПЭП - а;

PC ПЭП типа «дуэт» с углом <р= 36° - б [19]

Рис. 7.86 иллюстрирует эффективность применения РС-ПЭП типа «дуэт» (а = 67°) по сравнению с однощуповой схемой прозвучивания. Как видно, значительное снижение уровня помех от усиления шва позволяет выявлять расположенные по границе

наплавленного металла незначительные по размерам дефекты (трещины), в отраженном сигнале которых преобладает дифрак­ ционная составляющая от краев трещин. Такие дефекты радиографированием и при прозвучивании по традиционной техноло­ гии не выявляются.

Широкое внедрение РС-ПЭП с углом осмотра <р = 36° для производственного контроля полотнищ нефтехранилищ толщиной 6...26 мм подтвердило высокую помехоустойчивость технологии и достоверность результатов (до 0,95) при негативном влиянии раз­ личных факторов: смещения осей верхнего и нижнего усиления, смещения точки пересечения акустических осей относительно оси шва, вариаций типа и ориентации дефектов и др. [19].

ГЛАВА 8

ДОСТОВЕРНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

8.1. ВИДЫ ОШИБОК

Достоверность (объективность) обнаружения и правильной идентификации дефектов является важнейшей характеристикой любого метода неразрушающего контроля и определяется в срав­ нении с результатами вскрытия или контроля каким-либо другим эталонным методом.

Проблемы достоверности ультразвукового контроля сварных соединений рассматривались в работах российских и зарубежных ученых В.Н. Волченко, Г. Вюстенберга, Ю. Ишии, А.К. Гурвича,

авторов настоящей книги и многих других.

Используемые для оценки дефекта параметры индикатрисы рассеяния несплошности носят статистически-вероятностный характер, поскольку на них влияет множество различных фак­ торов, как зависящих от оператора и состояния дефектоскопа, так и независимых, случайных, которые невозможно учесть или избежать.

Поэтому всем технологическим операциям контроля (на­ стройка чувствительности и глубиномера дефектоскопа, поиск, измерение параметров несплошностей и оценка их допустимо­ сти) в той или иной степени сопутствуют ошибки завышающие или занижающие измеряемые характеристики несплошностей и степень их опасности. Соответственно эти ошибки называют ошибками первого рода %а (ложное забракование) и второго ро­

да Хр (пропуск критических дефектов). Эти ошибки адекватны

рискам изготовителя (перебраковка) - а и рискам потребителя (недобраковка) - р.

С позиций получения и обработки информации ультразвуко­ вой контроль подразделяется на одноэтапный и двухэтапный.

Автоматизированный контроль, как правило, одноэтапный, а ручной - двухэтапный.

При одноэтапном контроле обнаружение и оценка дефекта происходят одновременно. Поэтому в большинстве случаев из всех параметров эхо-сигнала регистрируется только его амплиту­ да и превышение ее над заданнымпороговым уровнем срабаты­ вания регистратора дефектов или исполнительного механизма - брак - годен. Заданный пороговый уровень обычно выбирается на основе априорно установленных корреляционных зависимо­ стей между амплитудой эхо-сигнала от дефекта и его размерами и конфигурацией.

Соответственно уровень (величина) ошибок обнаружения оп­ ределяется: выбранным пороговым уровнем регистрирующей или исполнительной системы (АСД) относительно амплитуды эхосигнала от нормативного отражателя; теснотой корреляционных связей (величиной дисперсии); и внешними флуктуационными помехами.

При двухэтапном контроле на первом этапе производится об­

знаков несплошности и принятие решения об оценке качества объекта.

По штатной технологии оценка несплошности производится только по информативным признакам, регламентированным ГОСТ 14782. В этом случае ошибки дефектометрии мало отли­ чаются от ошибок обнаружения.

В настоящее время, в связи с возросшими требованиями к достоверности прогнозирования эксплуатационного ресурса от­ ветственного оборудования, четко прослеживается тенденция обязательности распознавания образа несплошности. То есть на втором этапе контроля необходимо определить не условные, а истинные размеры несплошности, ее конфигурацию и, по воз­ можности, морфологический тип. Для этого производится допол­ нительное прозвучивание на разных углах и частотах, и исполь­ зование доступных информативных признаков аппарата распо­ знавания образов.

Поэтому ошибки распознавания оцениваются в сравнении с эталонами классов соответствующих информативных признаков и существенно отличаются от ошибок обнаружения.