книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

На достоверность контроля и появление ошибок в обнаруже­ нии дефектов и оценке их величины оказывают влияние субъек­ тивные, зависящие от человека, факторы и объективные, незави­ симые факторы.

Субъективные ошибки обусловлены наличием субъектив­ ных (регулируемых).факторов, влияющих на правильность про­ ведения измерений, выбора и соблюдения параметров контроля и их настройки, учета геометрии • и акустических характеристик изделия и т.д. и определяют надежность системы дефектоскопоператор. Иными словами, степень влияния этих факторов опре­ деляется квалификацией оператора, его добросовестностью, пси­ хофизиологическим состоянием, усталостью и т.п. Влияние субъ­ ективных факторов может быть существенно снижено путем по­ вышения квалификации операторов, повышения их ответствен­ ности, жесткой регламентацией технологии контроля, введением повторного контроля и т.п.

Объективные ошибки обусловлены наличием объективных (нерегулируемых и неучитываемых) факторов, которые не зави­ сят от оператора и аппаратуры и целиком определяются отража­ тельными характеристиками дефекта (ориентация, конфигурация, шероховатость отражающей поверхности, близость к другим от­ ражателям), свойствами материала, неизвестными оператору осо­ бенностями геометрии изделия и наличием неисключаемых по­ мех в акустическом тракте дефектоскопа.

8.2.С у б ъ е к т и в н ы е о ш и б ки

Субъективные ошибки можно разбить на две группы:

•промахи, т.е. грубые ошибки, связанные с пропуском не­ допустимых дефектов из-за невнимательности, недобросо­ вестности оператора или неисправностью дефектоскопа;

•ошибки, приводящие к неправильной оценке величины и координат отражателя вследствие нарушения требований к

технологии контроля.

Промахи на сегодняшний день являются одной из основных причин пропуска в эксплуатацию продукции с грубыми дефекта­ ми, и поэтому на них должно быть обращено особое внимание при организации технологического процесса. Даже при весьма квалифицированных кадрах промахи возникают из-за неудовле­ творительного психофизиологического состояния оператора (ус­

луч - это расширяющийся пучок колебаний с минимальным раз­ мером, равным размеру пьезопластины, причем с неравномерным распределением энергии по фронту; переотражение пучка от сте­ нок или рядом расположенных дефектов сопровождается интер­ ференцией сигналов, что приводит к вариациям амплитуды сиг­ нала и т.п. Ну, и, конечно, необходимо жесткое соблюдение тех­ нологической дисциплины оператором.

Субъективные ошибки второй группы делятся на ошибки систематические и случайные.

8.2.1. Систематические ошибки

Систематические ошибки вызываются причинами, дейст­ вующими одинаковым образом при измерениях в одних и тех же условиях или закономерно изменяющих показания в какую-либо одну сторону при изменении этих условий. Например, по мере неравномерного истирания призмы наклонного ПЭП постепенно увеличивается ошибка в определении координат дефекта. Систе­ матическая ошибка обычно проявляется в каком-то временном интервале (до ее обнаружения). До обычному регламенту дефек­ тоскоп должен настраиваться не менее одного раза в смену или каждый раз при переходе с одного объекта на другой. При новой настройке систематическая ошибка, как правило, выявляется. Поэтому систематической будем считать ошибку, существую­ щую во времени, как минимум, в интервале между настройками.

В ультразвуковой дефектометрии все субъективные система­ тические и случайные ошибки делятся, в свою очередь, на ошиб­ ки в измерении координат отражателя (пеленгационные) и в из­ мерении амплитуды сигнала и величины дефекта.

Рассмотрим основные причины возникновения этих ошибок и возможные пути их устранения.

Систематические ошибки в определении координат. Наи­ более частой причиной является нелинейность горизонтальной развертки дефектоскопа. В исправном приборе нелинейность не должна превышать 3 %, она может проверяться по стандартному образцу № 1.

Погрешность координатных линеек или введение усреднен­ ной поправки на время прохождения ультразвука в призме, неза­ висимо от типа наклонных преобразователей, приводит к ошибке при Измерении глубины дефектов до 10 %. Для исключения ее необходимо пользоваться координатными линейками, обеспечи­ вающими регулируемую поправку на путь в призме (УКЛ-1).

Погрешность, вызванная отклонением угла р от номиналь­ ного вследствие истирания призмы, увеличивается с возраста­ нием угла р. Для обеспечения гарантируемой техническими ус­ ловиями на дефектоскопы точности измерения глубины залега­ ния дефекта Л, равной 0,05Л ± 2 мм, необходим допуск на угол призмы Р не больше ±30'. В методических инструкциях должна предусматриваться периодическая проверка углов наклона призмы р в процессе контроля. Обычно такая проверка выпол­ няется на стандартном образце № 1 после контроля каждых 50...70 м сварного шва.

Существенная пеленгационная ошибка в измерении коорди­ нат отражателя обусловлена влиянием затухания ультразвука, вследствие чего происходит квазиискривление диаграммы на­ правленности [31, 32].

В частности, сигнал, отраженный от валика усиления шва на противоположной поверхности, может быть принят за дефект, расположенный в сечении. Рис. 8.1 иллюстрирует пример, взятый из практики контроля сварных швов барабанов котлов тепловых электростанций из стали 16ГНМА.

Рис. 8.1. Выявление ложного дефекта при прозвучнвании толстостенных сварных швов барабанов вследствие эффекта «квазинскривлення» диаграммы направленности ПЭП

В силу значительного затухания УЗК максимум эхо-сигнала достигается не тогда, когда на отражатель направлен централь­ ный луч, а когда отражатель берется боковым лучом диаграммы направленности с уменьшенным углом ввода ось Для этого луча путь до отражателя R } короче (R ,< R) и амплитуда эхо-сигнала

выше. А определение координат производят исходя из предполо­ жения, что дефект берется центральным лучом (Л). П<йс$|и£ку

поперечные волны падают на усиление нормально поверхности валика, пальпировать их невозможно. Поэтому оператор считает, что отражатель (дефект) находится над донной поверхностью. Идентифицировать ложные сигналы можно путем снятия запод­ лицо усиления, хотя бы на отдельных участках. А вообще для учета эффекта квазиискривления необходимо настройку глуби­ номера производить по образцам из контролируемого материала или на самом контролируемом изделии.

ПЭП с углами ввода 50° и более очень чувствительны к тем­ пературе окружающей среды. Чтобы избежать пеленгационных ошибок по этой причине, настройку дефектоскопа и измерение фактического угла ввода следует проводить при этой температуре. В случае разницы температур, следует учитывать поправку, кото­ рую для призмы из оргстекла определяют по графику на рис. 8.2.

Температура поверхности изделия, °С

Рис. 8.2. Зависимость ф актического угла ввода наклонны х ПЭП с призмой из оргстекла от температуры :

1 - углы ввода а = 50.. .51°; 2 - 60°; 3 - 65е; 70°

При настройке глубиномера и измерении фактического угла ввода по СО-2 (ГОСТ 14782 - 86) следует иметь в виду, что от отверстия 0 6 мм в огибающей эхо-сигналов наблюдаются два максимума. Во избежание пеленгационных ошибок настройку глубиномера и измерение координат отражателей следует произ­ водить по первому максимуму эхо-сигнала при приближении ПЭП к боковому отверстию.

В.Т. Власовым показано, что при одной и той же геометрии прозвучивания сигнал от зарубки площадью ~ 0,5 мм 2 приходит раньше, чем от двугранного угла того же образца. Этот эффект также может являться причиной систематической пеленгационной ошибки, если глубиномер настроен по малой зарубке. При­ чиной этого является то, что в случае малого отражателя попе­ речная волна, падая на зарубку с острыми краями, трансформи­ руется в продольную волну, распространяющуюся с большей скоростью, которая регистрируется как отраженный сигнал максимальной амплитуды. В случае же большого отражателя геометрическая составляющая, т.е. поперечная волна, более ин­ тенсивна, чем дифракционная. Поэтому при настройке глуби­ номера или положения строб-импульса на развертке учитывает­ ся время прохождения в акустическом тракте только попереч­ ной волны.

Систематические ошибки при эталонировании уровня чувствительности и определении величины дефекта. В основе этих ошибок лежит неправильно установленный уровень эталон­ ной чувствительности дефектоскопа.

Одной из главных причин является несоответствие качества поверхности контролируемого изделия и образца предприятия, по которому производится настройка чувствительности дефекто­ скопа. Как правило, поверхность образцов всегда лучше, чем по­ верхность объекта контроля, что иллюстрируется гистограммой на рис. 8.3. Это несоответствие приводит к систематической ошибке в 6... 15 дБ (для разных ПЭП), причем только в одну сто­ рону - в сторону недобраковки или к пропуску недопустимых дефектов. Эта же причина является основной в случаях плохой воспроизводимости результатов контроля, выполненного в раз­ ное время различными операторами при мониторинге эксплуати­ рующегося оборудования.

Несоответствие акустических констант образца и изделия яв­ ляется серьезной проблемой ультразвуковой дефектометрии, особенно при амплитудном методе оценки дефекта. Наши оценки показали, что если настройка чувствительности производится по CO-2, V-1 или V-2, то при контроле термообработанных швов из стали 16ГНМА (барабаны котлов ТЭС) имеет место занижение эквивалентной площади на 15...20 %, а швов трубопроводов из стали 12ХМФ(А) на 5... 10 %. Если те же швы не термообработа­ ны, то ошибка доходит соответственно до 32...35 % и 15...23 %.

Рис. 8.3. Гистограмма распределения участков поверхности по параметру шероховатости /?.(я = 96 участков):

I - образцы предприятия; • - отдельные измерения; 2 - штатные изделия; х - отдельные измерения

Эти примеры обусловливают необходимость проведения сдаточного контроля только после окончательной термообра­ ботки шва и проведения настройки по образцам из идентичного металла, или измерения коэффициента затухания в имеющихся образцах и изделии и введении поправки в случае их различия. Такие требования, в частности, реализованы в РД, регламенти­ рующие технологию контроля оборудования и трубопроводов ТЭС и АЭС.

Неучтенные особенности геометрии изделия также являются источником ошибок. Необходимо вводить поправку на кривизну внутренней поверхности при контроле однократно и многократно отраженным лучом совмещенным ПЭП (рис. 8.4) и учитывать изменение толщины стенки трубы при контроле хордовыми ПЭП.

На амплитуду сигнала при контроле переотраженным лучом сильно влияет состояние внутренней поверхности трубы: степень эрозионно-коррозионных повреждений, наличие и характер от­ ложений, а также наличие в трубопроводе жидкой среды.

В какой-то степени учесть эти факторы можно, если предва­ рительно провести толщинометрию стенки ультразвуковыми толщиномерами с дисплеем или снять профиль донной поверхно­ сти с помощью развертки «В». При сканировании трубы в ради­ альной плоскости происходит значительная деформация диа­ граммы направленности, причем тем большая, чем больше угол ввода. Практически учесть этот эффект с помощью номограмм

невозможно. Поэтому настройка должна производиться по об­ разцам идентичной геометрии.

Рис. 8.4. Коэффициент отражения Л» от цилиндрической донкой поверхности; а - схема эксперимента; б - результаты расчета и эксперимента,

(о - 2,5 Д - 1,8 МГц)

В последнее время активно рекламируется технология кон­ троля кольцевых швов труб малых диаметров ПЭП с плоской поверхностью. При этом настройка чувствительности произво­ дится по плоским образцам.

Автором проведены испытания износостойкости призм на­ клонных ПЭП с плоской рабочей поверхностью типа «НЕДА»

США) и SAH5-10-70 (ф. «Сонатест», Англия); и изменения чув­ ствительности контроля вследствие этого износа.

Испытания проводились на образце трубы диаметром 50 мм, установленной в специальном ложементе. Поверхность сканиро­ вания трубы была зачищена абразивным камнем до R. 35+8 мкм,

тщательно очищена от абразивной пыли и покрыта машинным маслом.

Врезультате экспериментов установлено:

•заметный износ ПЭП с образованием мениска (выемки) на рабочей поверхности призмы глубиной более 0,1 мм про-

является на всех типах ПЭП уже через 10 минут сканиро­ вания. Через 20 минут сканирования глубина мениска со­ ставляет уже 0,2,..0,4 мм;

•образование мениска на рабочей поверхности ПЭП приво­ дит к изменению акустической прозрачности контактного слоя. Причем на плоских образцах она уменьшается, а на трубных (цилиндрических) увеличивается;

•при настройке по торцу цилиндрического образца образо­ вание мениска на ПЭП приводит к изменению первона­ чальной чувствительности дефектоскопа, но после прове­ дения аналогичной настройки через 20 минут сканирова­ ния новый уровень чувствительности мало отличается от первоначального. Среднее значение АА=А0 - Л2о по всем

ПЭП составляет 0,2 дБ;

•при первоначальной настройке чувствительности дефекто­ скопа для контроля трубных стыков по торцу плоского об­ разца (или отражателя в нем) фактическая чувствитель­ ность дефектоскопа к дефектам увеличивается при образо­ вании мениска. В нашем случае через 20 минут сканирова­ ния, в зависимости от типа ПЭП, увеличение составляет от

2,7 до 5,9 дБ.

При проведении новой аналогичной настройки после двадца­ тиминутного сканирования фактическая чувствительность дефек­ тоскопа увеличивается относительно первоначального уровня на 7,6...14,5 дБ.

Очевидно, что по мере увеличения длительности сканиро­ вания мениск и, соответственно, фактический уровень чувстви­ тельности увеличивается еще больше. Это обусловливает и уве­ личивающуюся значительную ошибку в ложном обнаружении и завышении размеров несплошности (перебраковка) при на­ стройке по плоскому образцу. На этом основании методики контроля труб малого диаметра непритертыми ПЭП должны быть запрещены.

Если же не удается добиться идентификации поверхностей образца и изделия, то необходимо эталонировать чувствитель­ ность с помощью АРД-диаграмм и опорного сигнала непосредст­ венно в изделии.

Неточность изготовления эталонных отражателей весьма су­ щественно влияет на уровень чувствительности. Так, если попе­ речный размер плоскодонного отверстия, сегмента или зарубки