книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

дифференцированном учете каждого из факторов, влияющих на достоверность. Вопросам оценки достоверности ультразвукового контроля с учетом различных факторов посвящены работы [1, 20, 32,40,45, 55, 59,71,72, 76, 85, 97, 108, 116, 130 и др.].

Целесообразно различать понятия достоверности контроля и достоверности метода контроля. Первый термин предполагает достоверность полученных по данным контроля результатов или, в конечном счете, достоверность оценки качества изделия. Дос­ товерность метода контроля Д выражает вероятность правильно­ го обнаружения и измерения величины дефектов и зависит толь­ ко от объективных факторов, т.е. свойств самого изделия, конст­ рукции акустической системы и параметров контроля. В этом случае при оценке Д должны учитываться только помехи в аку­ стическом тракте дефектоскопа при надежности системы дефек­ тоскоп - оператор, равной единице.

Поскольку выявляемость реальных объемных дефектов мало зависит от частоты / и угла ввода ос ПЭП, можно обоснованно полагать, что критерием эффективности ультразвукового метода является вероятность правильного обнаружения и измерения ве­ личины наиболее потенциально опасного плоскостного дефекта (трещины, непровара), произвольно расположенного по длине и сечению сварного шва.

Согласно [20], наиболее информативна оценка интервальной достоверности контроля, т.е. вероятности оценки качества с за­ данными допустимыми ошибками (ха и хр)» адекватными риску

первого рода (перебраковка - риск изготовителя) и второго рода (недобраковка - риск потребителя). При этом достоверность ме­ тода следует рассматривать как вероятность принятия безоши­

бочных решений Д = 1 - ( х а +Хр) •

Для расчета Д за основу принята математическая модель дос­ товерности, предложенная В.Н. Волченко и В.Г. Лупачевым [20, 55]. Однако, в отличие от нее, здесь предложен дифференциро­ ванный учет следующих объективных факторов: плотности веро­ ятности распределения дефектов по размеру L или эквивалентной площади функции регистрации эхо-сигнала FK(А) с амплиту­ дой А > Дшп (/4т;п - амплитуда порогового уровня) от качества

акустического контакта; параметрической зависимости относи­ тельной шероховатости трещин tg25 (tg25 = s \ I I I , где sj, и /А-

соответственно оценки среднеквадратического отклонения и ин-

тервала корреляции неровностей поверхности трещин высотой И) от их длины L [92]; плотности вероятности распределения тре­

щин по углу отклонения от нормали к поверхности изделия [14]. При разработке дифференцированной модели оценки досто­

верности за основу принимается алгоритм двухэтапного типового технологического процесса ручного контроля сварных соедине­ ний наклонным ПЭП с углом ввода а. На первом этапе такого контроля на повышенной чувствительности Srn обнаруживают

несплошность, эхо-сигнал от которой или эквивалентная площадь превышают пороговые значения в режиме поиска, т.е. относи­ тельно нормативного размера дефекта Sxn (5ЭП= kS3. как правило к = 5 или 6 дБ). Затем оцениваются параметры несплошности и ее

допустимость для данного изделия на уровне чувствительности

Sxn. При расчетах принимается, что шаг сканирования Д/ меньше фронтальной разрешающей способности дефектоскопа (Д/ < Хг/а)

в дальней зоне, а контроль производится в дальней зоне с вклю­ ченным блоком ВРЧ ( г~2е~1Ъг = 1). Эти условия обычно соблю­

даются при контроле сварных швов большой толщины.

В нормативно-технической документации (НТД) величина предельно допустимых дефектов иногда задается в виде характе­ ристического размера L или в виде значения эквивалентной пло­

щади 5Э.„. В первом случае плотность вероятности распределения по характеристическим размерам W0 „ (L) дефектов одного типа,

обнаруженных при выбранном пороговом уровне чувствительно­ сти контроля и подлежащих количественной оценке, определяет­ ся на основе композиции интегральной функции выявляемости FK (А), характеризующей вероятность регистрации сигнала, превы­ шающего пороговый уровень А > Ат,п, и плотности вероятности распределения несплошностей по L -W p(L) (рис. 8.42)

Плотность вероятности Wp(L) чаще всего определяется на

основе статистического анализа однотипной продукции другим методом контроля, например, радиографическим. Функция

FK(A) = FK(&,) по существу характеризует флуктуацию сигнала в

результате нестабильности акустического контакта. Практически при небольших скоростях сканирования, как показывает экспе­ римент, она имеет один и тот же вид и при поиске и при измере­ нии размеров несплошностей.

Рнс. 8.42. Графическое отображение модели достоверности ультразвукового метода контроля сварных соединений

Если нормативная величина предельно допустимой несплошности выражена через эквивалентную площадь 5ЭН, то плотность вероятности распределения несплошностей одного типа по экви­ валентным площадям S, записывается в виде

функции от случайного аргумента, одномерная плотность веро­ ятности распределения дефектов одного типа по S, выражается в виде

между S’, и I; dS-JdL- якобиан преобразования.

Зависимость fs (L) можно получить, например, на основе ус­ тановленных корреляционных связей между S3 и L (2Ь) для раз­

личных типов дефектов [95, 110] или другим, несколько более сложным путем, но зато позволяющим дифференцированно учи­ тывать роль ориентации и шероховатости дефекта на вариации £,. Ввиду различия в отражательных характеристиках анализ выпол­ няется раздельно для гладких и слабошероховатых непроваров и трещин, параметр Рэлея которых PR = 2Ary(/?)sina < 1, и для вол­

нистых трещин в области справедливости приближения Кирхго­ фа 2рь sin a > X (здесь c(h) и р(Л) - соответственно среднеквадра­ тическая высота и радиус кривизны неровностей; к - волновое число; X - длина волны).

Для гладких отражателей числовое выражение fs (L) может

быть подсчитано по формулам, приведенным в табл. 3.3.

Для расчетов можно использовать выражения коэффициента отражения R в виде найденной методом наименьших квадратов

аппроксимации, справедливой для металла в области значения

характеризующего средний наклон неровностей поверхности трещин. На основе анализа фотографий нашей выборки из не­ скольких десятков трещин (рис. 8.43) установлена эмпирическая зависимость

Здесь коэффициенты уравнения В и С соответственно состав-

л

ляют 1 и 0,1 для слабоволнистых трещин, для которых tg 5 < 0,05

(кривая 1), 0,1 и 0,0В дня трещин с более изломанным профилем (кривая 2). Подставляя (8.5) в выражение (8.3) и полагая задан­ ными а ь а 2, Ф0>а также средние значения ф, получим одну пере­ менную L.

Рис. 8.43. Корреляционная зависимость s \/l2k от линейного размера трещины:

1- слабоволнистые т р е щ и н ы ; 2- т р е щ и н ы с более изломанным профилем

График функции FK(S3) = FK(А) может занимать произволь­

ное положение на оси абсцисс, определяемое уровнем чувстви­ тельности дефектоскопа (рис. 8.42).

При двухэтапном контроле точка с ординатой FK(S3) = 0 соот­

ветствует 5Э„ (рис. 8.42).

В случае регистрации т сигналов, пришедших подряд, функ­

т = JLSfu (L - условная длина несплошности, & - частота посы­

лок, и - скорость сканирования).

При прозвучивании акустической системой с п ПЭП, регист­

рирующими рассеянное поле от одного зондирующего импульса, вероятность одновременной регистрации во всех каналах будет определяться произведением вероятностей регистрации каждым

ПЭП и в выражение (8.6) необходимо подставлять функцию

!/=■*№ )Г

Полученная функция Ж0П(5Э) позволяет оценить достовер­

ность обнаружения несплошностей при поисковом уровне чувст­ вительности и нормативном значении <5>э Вероятность необнаружения допустимых несплошностей

S S

Измерение эквивалентной площади обнаруженного дефекта также сопровождается ошибками. Они слагаются за счет ошибок из-за варьирования качества контакта стк (А), ориентации дефекта относительно нормали к поверхности аф (А), среднего наклона

неровностей (шероховатости) отражающей поверхности дефекта а 5 (А), погрешности настройки чувствительности по эталонному отражателю <тэ (А). Поскольку все эти причины независимы, сум­

а распределение суммарной ошибки в силу центральной предель­ ной теоремы теории вероятности принимается нормальным.

Приведем пример анализа составляющих выражения (8.11) по данным нашей выборки.

Флуктуация сигнала в статике вследствие нестабильности акустического контакта значительно меньше, чем в динамике. Из работы [57, 64], а также наших экспериментов установлено,

Вероятность правильного отнесения дефекта к недопустимым

со оо

Вероятность правильного отнесения дефекта к допустимым

Очевидно, достоверность контроля будет наивысшей, если

функции Жр(5э) и fVDn(S3) будут стремиться к максимуму. Ис­ следованием выражения (8.16) на экстремум при заданных зна­ чениях а можно установить оптимальный угол а$, т.е. фактиче­

ски сформулировать требования к оптимальной акустической системе.

Для иллюстрации возможностей предложенной модели в ка­ честве примера проведено сравнение оценок достоверности об­ наружения и измерения трещин одним преобразователем и би­ нарной акустической системой («тандем»). При прозвучивании в первом случае S3определяется при <р0 = тг/2+а, а во втором - при ф0 = п. Предполагается, что принимаемый луч аксиален акустиче­

ской оси приемника.

Плотность распределения трещин по величине в сварных швах энергетического оборудования толщиной 40...250 мм удов­ летворительно апроксимируется функцией вида

а весовое соотношение слабошероховатых и волнистых трещин в изделии составляет Р\ = 0,53; Р2 - 0,47.

Функции выявляемости FK(S3) зависят от качества поверхно­

сти и параметров сканирования. Примем, что обнаружение реги­ стрируется по одному сигналу, а функция выявляемости FK(5Э)

Из (8.14) и (8.15) определяем величину ошибок Ха, Хр> Х'р> веро­ ятность обнаружения и необнаружения дефектов Р& ДРд, Рт инфор­

мативность и достоверность контроля по совмещенной схеме и эхо-

зеркальным методом при cci = а2 - а = 50°;/= 1,8 МГц. Результаты приведены в табл. 8.11. Верхние и нижние цифры просчитаны соот­ ветственно для случаев, когда в НТД предельно допустимый размер задается в виде L и S3 Принято также, что Ox (L) =0,3L [86].

Для оценки достоверности двухэтапного контроля использо­ ваны выражения

Р» + Хр + Хр

где Да - вероятность того, что допустимый дефект правильно отнесен к допусти­ мым; Д„ - вероятность того, что недопустимый дефект правильно отнесен к недо­ пустимым.

Таблица 8.11

Сравнительная оценка достоверности обнаружения реальных трещин

П рим ечание./ = 1,8 МГц; а = 50°; 5ЭП= S3M+ 6 дБ; £ЭЛ1 = = 3 мм2; числитель и знаменатель дроби соответствуют расчету, выполненному по заданным предельным размерам дефектов, выраженных в LH, мм и S3M>мм2.

Результаты расчетов подтверждают низкую достоверность обнаружения трещин при контроле эхо-методом по совмещенной схеме. Слабошероховатые трещины практически не обнаружи­ ваются. Наивысшая вероятность обнаружения трещин достигает­ ся при эхо-зеркальном методе с использованием симметричной системы «тандем».

8 .6 . М е т о д ы п о в ы ш е н и я д о с т о в е р н о с т и к о н т р о л я

Как показано выше, амплитудная дефектометрия исчерпала свои точностные возможности. Будущее принадлежит времен­ ным методикам измерения размеров дефектов дефектоскопами общего назначения и голографическим и томографическим мето­ дам реконструкции изображения. Для иллюстрации на рис. 8.44 приведена корреляция между фактическими размерами дефектов, измеренных амплитудным и дифракционно-временным метода­ ми, и гистограмма ошибок измерения. Однако, по-видимому, еще несколько лет на производстве дефектометрия будет базировать­ ся на амплитудных методах, реализуемых с помощью стандарт­ ной аппаратуры.

Рис. 8.44. Сравнение погрешностей измерения высоты трещин:

• - амплитудный метод; х - дифракционно-временной метод; а - корреляционная зависимость; б -относительное рассеяние результатов [130]