книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

На основании теоретического анализа и представительных экспериментальных данных на реальных дефектах стыковых сварных швов толщиной до 150 мм установлено, что с вероятно­ стью 0,95 для плоскостных дефектов Л!ф<1, а .для объемных

Хф>1. Идентификацию дефекта необходимо производить по наименьшему значению Кф. Метод позволяет не только отли­

чать плоскостные дефекты от объемных, но в сочетании с други­ ми информативными признаками позволяет более точно распо­ знавать характер плоскостных дефектов, кроме паукообразных

трещин. Так, если <0,5 (6 дБ) и дефект расположен на кромке,

то с большой вероятностью можно считать, что это несплавление; если же дефект находится в наплавленном металле, то это трещина. Если 0,5 <К^< 0,9, то, вероятнее всего, дефект типа

непровара в корне шва (при двусторонней сварке) или межваликовое несплавление (рис. 6.14). Распознавание типа дефекта по

Кф может применяться для швов малых толщин и в других слу­

чаях (см. рис. 6.13б).

*

--------- г —

20

10

•

•10

т

•

		»
			•
4	•
’* +		1	•
			L A
>
		L	!
_____ 1*л			& i
			1
<	i
	К	X	X
	* *		ж.
		X	____
	Ж
		X		t'
		l	.* '	«

-20	— 1
	1 i _ "

9	C
	(
	1*

•

•

•

*

к

X

:

1c

1

]1

\r

5

-30		i		1 I
	0,4	____ d	____ _
0,2		0,6	0,8

Рис. 6.14. Коэффициент формы Лф реальных дефектов при проэвучиваннн ПЭП с углом ввода а = 38 и 50°:

х - трещины; • - шлаковые включения и поры; А - непровары

У метода имеется ряд преимуществ.

Во-первых, он не требует эталонирования чувствительности дефектоскопа. Поскольку метод, по существу, дифференциаль­

ный, то уровень чувствительности может быть любой, поэтому измерение Кф эффективно для анализа возможного возникнове­

ния и подрастания объемных дефектов в процессе эксплуатации оборудования.

Во-вторых, весьма существенно, что тип дефекта характери­ зуется легко измеряемым числовым значением.

Ширина индикатрисы рассеяния в азимутальной плоскости является весьма информативным признаком. Плоскостные де­ фекты в силу направленных отражательных свойств дают узкую индикатрису рассеяния. Если при повороте ПЭП на 45° в каждую сторону относительно направления максимального сигнала ам­ плитуда сигнала уменьшается на 8 дБ, то такой дефект считается плоскостным (рис. 6.15).

Для распознавания типа дефекта эффективно измерение от­

ношения эквивалентных	площадей при прозвучивании ПЭП
с разными углами ввода	и а 2 (коэффициент.Ка ). Для объем­

ных дефектов зависимость от угла проявляется слабо. Если по­ следовательно сравнивать отношение амплитуды эхо-сигнала от дефекта Аа к амплитуде эхо-сигнала от бокового цилиндриче­

ского отражателя Л'а (Ка) на разных углах ввода, то можно оце­

нить тип дефекта.

Коэффициент р , характеризующий отношение условной ши­

рины АХ к условной высоте АН , р = АХ/АН предложен

А.К. Гурвичем и Л.И. Кузьминой и широко применяется в мосто­ вых конструкциях (рис. 6.16) [33]. Для объемных дефектов коэф­ фициент р не зависит от размера дефекта и глубины его распо­ ложения и для каждого типа преобразователя имеет определен­

ное значение	р0. Для плоскостных вертикальных дефектов
рв < р0, для плоскостных горизонтальных (расслои) рг » р0.
Отношения	рв/р 0 и рг/р 0 тем больше, чем больше отно­

шение размера дефекта к глубине его залегания. Эти информа­ тивные признаки заложены в ГОСТ 14782 - 86.

г

Рис, 6.15. И з м е р е н и е и н ф о р м а т и в н ы х п р и з н а к о в д е ф е к т о в :

а - у г л о в о й ш и р и н ы и н д и к а т р и с ы р а с с е я н и я в г о р и з о н т а л ь н о й п л о с к о с т и п о с е р е ­

д и н е д е ф е к т а 0 т и и н а к р а я х д е ф е к т а 0 ' ; б- о р и е н т а ц и и в г о р и з о н т а л ь н о й п л о с к о ­ с т и ( а з и м у т ) ; в- к о э ф ф и ц и е н т а Кл( п р и Н= ff, К«=Аа11А'а\.• Л 'а з /Д и ) ;

г - э к в и в а л е н т н о г о р а з м е р а п р и п р о з в у ч и в а н и и п р о д о л ь н ы м и в о л н а м и

Рис. 6.16. Измерение ^-дефектов:

а- объемного; б - вертикального плоскостного;

в- горизонтального плоскостного

Всварном соединении с удаленным заподлицо валиком уси­ ления в качестве дополнительного для распознавания типа де­ фекта признака, используемого в сочетании с другими признака­

ми, можно измерять эквивалентную площадь S3 торца трещины. Статистикой установлено, что если S3<2 мм2, то этот дефект -

трещина. Вертикальные трещины	при прозвучивании продоль­
ными волнами ослабляют донный	сигнал	значительно силь­

нее, чем объемные дефекты. А.Х. Вопилкиным показано, что ес­ ли Ад/Ааз> 6 дБ, то этот дефект - трещина.

Амплитудно-временной анализ дифрагированных волн также позволяет распознать тип дефекта, поскольку амплитуда дифраги­ рованных волн зависит от параметра конфигурации £ = р/с/, где

р - радиус закругления вершины дефекта, a d - его высота [30].

В диапазоне углов оц и а 2 до второго критического макси­

мальный дифрагированный сигнал на верхнем крае дефекта на­ блюдается дня протяженного объемного дефекта, а минимальный - от плоскостного. Сигналы, дифрагированные на нижнем крае, имеют максимальную величину при плоскостном и минимальную при компактном объемном дефекте.

Информативный признак К^ основан на измерении соотно­

шения амплитуд сигналов, дифрагированных по краям. Вероят­ ность правильного распознавания плоскостных и объемных де­ фектов по К составляет 0,85 [30].

С.Р. Цомуком в НИИ мостов ЛИИЖТа разработан метод, ис­ пользующий соотношение амплитуд обратно отраженных попе­ речной и трансформированной на дефекте продольной волн.

В ЦНИИТМАШе разработан метод распознавания, основан­ ный на озвучивании дефектов поперечными волнами и приеме продольных трансформированных волн, как показано на схеме рис. 7.28в [81,83].

Для плоскостных дефектов At > Л2, а для объемных А1<А2 .

Для распознавания типа корневых дефектов последовательно изменяют угол ввода и при этом фиксируют и измеряют ампли­ туды продольных волн.

В случае плоскостных дефектов оптимальные углы ввода со­ ставляют а = 57...62°. Если изделие имеет радиус кривизны в плоскости падения ультразвукового луча, угол а находят по специальным номограммам.

По данным МГТУ им. Н.Э. Баумана и Уралтехэнерго, боль­ шинство объемных дефектов (-70 %) сварных соединений трубо­ проводов малого диаметра 42... 133 мм в плане равноосны, вытя­ нуты в направлении радиуса кольцевого шва и имеют вид верете­ на. При озвучивании с разных сторон под одинаковым углом к оси вытянутости сигналы коррелированы. Это позволяет распо­ знавать плоскостные и объемные дефекты акустической систе­ мой, состоящей из четырех ПЭП, направленных под азимуталь­ ным углом 45° к оси шва.

Значительную информацию о типе дефекта можно получить, проведя анализ тонкой структуры видеоимпульса (рис. 6.17) [122] При озвучивании наклонными ПЭП на частоте 2,25 МГц зон­ дирующими импульсами длительностью т3 установлено, что

длительность переднего тп ф и заднего т3 ф фронтов импульса и его общая длительность т существенно увеличиваются для объ­ емных дефектов (табл. 6.2).

Решающее правило распознавания плоскостных и объемных дефектов записывается в виде

*'п.ф^1+тИР2+тз.ф^З> - 0,2039дефект плоскостной, < - 0,2039дефект объемный,

з д е с ь Wu Wi, w3 - в е с о в ы е к о э ф ф и ц и е н т ы , с о о т в е т с т в е н н о р а в н ы е ' - 2 , 7 1 9 - Ю '3

- 2 , 0 4 8 - 1 0 ' 1 ; 5 , 2 8 4 - 1 0 -2

Р и с . 6 . 1 7 . П а р а м е т р ы в и д е о и м п у л ь с а , и с п о л ь з у е м о г о д л я р а с п о з н а в а н и и

типа дефекта

Таблица 6.2

Плотность вероятности параметров видеоимпульса, мкс

Т и п		т п. ф				т
д е ф е к т а
	« К * )
		5 ( т " - ф )		W	( T )	S ( T )
Т р е щ и н а	1 ,0 7	0 , 6	U 4	0 , 3 2	1 , 0 9	0 , 4
Н е п р о в а р	1 ,1 6	0 , 7 8	1 ,0 4	0 , 8 3	1 , 0 4	0 , 5 3
Ш л а к	U 4	0 ,7 1	1 ,3	0 , 7 7	1 ,4 2	0 , 4 9
П о р и с т о с т ь	2 , 4 6	0 , 7 8	1 ,2 8	0 , 9 2	1 ,5 8	0 , 6 4

Этот метод, по-видимому, может быть эффективен для иден­ тификации «ложных» дефектов, например, провисаний в корне шва, подкладных колец и т.п. Однако метод сильно зависит от параметров дефектоскопа и ПЭП, что обусловливает необходи­ мость нормирования параметров сигнала.

Имеется еще ряд физических и статистических признаков, которые могут быть полезны при идентификации типа дефекта. Однако они не имеют определенных числовых выражений, и по­ этому пока не могут быть внесены в нормативно-техническую документацию.

К ним можно отнести число сигналов и динамику изменения огибающей эхо-сигналов на экране дефектоскопа [31], площадь огибающей, дисперсию вариаций ширины огибающей на задан­ ном уровне чувствительности дефектоскопа [27], степень экрани­ ровки дефектом подкладного кольца при сварке с остающимися подкладными кольцами; азимут дефекта - весьма информатив­ ный признак для идентификации поперечных трещин, разницу азимутов, измеренных с обеих сторон шва одним и тем же ПЭП; среднестатистическое отношение условной протяженности к ус­ ловной высоте и т.п.

Важную информацию дают координаты дефекта в плоскости по поперечному сечению шва. Например, если дефект располо­ жен по кромке разделки, то, скорее всего, это несплавление; если в наплавленном металле, то это трещина, шлаковое включение или пора.

С помощью математического аппарата теории распознавания образов можно построить оптимальную методику определения не только типа, но и характера дефектов.

Поскольку измерения признаков производятся последова­ тельно, то важен порядок, в котором они измеряются. Очевидно, что признаки должны быть измерены в таком порядке, чтобы измерения дали окончательное решение, т.е. решение на задан­ ном уровне достоверности, возможно раньше.

Поэтому при автоматизированном контроле целесообразно идти по пути параллельного одновременного (в масштабах ско­ ростей сканирования) измерения признаков для достижении тре­ буемой точности распознавания, хотя это и приведет к некоторо­ му усложнению конструкции сканирующего устройства и систе­ мы обработки информации.

Для описания образа дефекта из всех признаков целесообраз­ но выбрать совокупность таких, которая сохраняла бы все ин­ формативные признаки образа, допускала использование простых алгоритмов распознавания и была бы обеспечена относительно простой технической реализацией при высокой надежности рас­ познавания.

В обоих случаях в целях упрощения процедуры распознава­ ния и снижения ее стоимости необходимо минимизировать число используемых информативных признаков, т.е. составить более короткое входное описание, при котором процент ошибок распо­ знающей системы не превышает заданной небольшой величины.

Для отбора признаков, в первую очередь, надо все их оценить по степени информативности. Поэтому для оценки степени ин­ формативности отдельных признаков и их сочетаний нами был использован метод минимизации описания по числу разрешае­ мых споров. За разрешенньй спор принималась ситуация, когда расстояние между границами областей классов превышало удво­ енную собственную область каждой точки отображения образа. Относительную информативность того или иного признака мож­ но выразить в виде отношения числа разрешенных пар дефектов (элементов матриц разрешения) по этому признаку к общему числу элементов матрицы.

Относительная информативность отдельных признаков сле­ дующая: коэффициент формы 0,57; коэффициент Ка = 0,51; со­

отношение сигналов при дельта-методе 0,53; ширина индикатри­ сы в азимутальной плоскости 0,5; эквивалентная площадь (про­ дольными волнами) 0,26;-азимут 0,07; разница азимутов 0,05; координаты в горизонтальной плоскости 0,14.

Как видно, наибольшей информативностью обладают фи­ зические признаки, определяемые индикатрисой рассеяния. Некоторые признаки несмотря на то, что они обладают малой общей информативностью, являются единственными и доста­ точными для идентификации дефекта. Например, для досто­ верной идентификации поперечной трещины вполне достаточ­ но измерить азимут 0, соответствующий максимальной экви­ валентной площади.

Преимуществом использования всех рассмотренных призна­ ков является возможность их определения с помощью стандарт­ ной аппаратуры.

ГЛАВА 7

ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

7.1.Общие положения

Рекомендуемая технология контроля должна обеспечивать обнаружение и идентификацию всех недопустимых дефектов. Она разрабатывается на основе накопленного опыта дефектоско­ пии аналогичной продукции, статистики распределения дефектов по типам, величине и местоположению и существующих норма­ тивов оценки качества.

Основными компонентами технологии неразрушающего кон­ троля являются: априорный анализ дефектности сварных соеди­ нений, оценка дефектоскопичности конструкции, выбор метода и аппаратуры для контроля конкретного сварного соединения, рег­ ламентация основных параметров контроля, организация и по­ следовательность проведения операций контроля, алгоритм оценки качества по результатам контроля.

Априорные статистические данные распределения несплошностей по величине, типу, ориентации и местоположению в ос­ новном определяют правомерность выбора той или иной схемы и параметров контроля.

Как показано в гл. 1, трещины и непровары в среднем состав­ ляют 25...30 % общего объёма дефектов. В тонкостенных швах, в силу переотражения ультразвука от стенок и дефекта, трещины, по существу, являются ненаправленным отражателем и вероят­ ность их обнаружения практически не связана с углом ввода ПЭП. В швах толщиной более 15...20 мм основная масса плоско­ стных дефектов сосредоточена в средней части в диапазоне ОД...0,7 h/H (А - глубина залегания). В этом случае поверхно­

сти изделия не участвуют в формировании отраженного сигнала

и выявляемость	дефектов зависит	от	параметра Рэлея
PR =2kah cos а , где	к - волновое число;	а	- угол ввода ультра­

звука; стл - дисперсия неровностей поверхности трещин.

Выполненный автором анализ профиля реальных трещин и их отражательных характеристик показал [92], что диапазон из­ менения параметра PR составляет 0,1...9. При этом все попереч­

ные трещины и значительное число продольных горячих имеют оценку дисперсии неровностей s%<0,04 мм2 и PR « 1. Это пре­

допределяет наличие слабой диффузной компоненты рассеянного поля Дзбр, что значительно ухудшает выявляемость таких дефек­

тов одним ПЭП. Следовательно, при вероятности наличия тре­ щин такого типа или непроваров (несплавлений) с гладкой отра­ жающей поверхностью предпочтительно выбирать способ прозвучивания и параметры контроля с учетом необходимости реги­ страции зеркальной компоненты эхо-сигнала Л2, например ис­

пользование хордовых ПЭП типа «дуэт» для контроля сварных швов труб малого диаметра, эхо-зеркального метода для швов значительной толщины.

В дефектоскопическую практику целесообразно ввести фор­ мализованный количественный критерий - обобщенную отража­ тельную характеристику дефектов измеряемую соотноше­

нием диффузной и зеркальной компонент поля, усредненной по всему множеству типов дефектов и вариаций их отражательных способностей и параметров контроля:

1.л,2..4„)х

	/=!		0
	X f v ( x 1, x 2>. . . , x m ) c t x 1 x d x 2 d x 3 , . . . , d x „ „
где IV(Г,) -	вероятность появления дефекта /-го типа;			/(/4 Х/) -	характеризует
зависимость отношения		Л,	от параметра х, ; Ж(х,)	- т - мерная плоскость
вероятности	распределения	по	параметру jc, характеризующему		отражательные
свойства дефекта Рн , длину L , ориентацию в пространстве и т.д

Поскольку выявляемость объемных дефектов практически некритична к углу ввода, при оценке отражательной характери­ стики можно ограничиться фиксацией лишь трещин и выразить обобщенный критерий в виде интегральной отражательной ха­ рактеристики трещин:

к * = ^ 7 ^ j exp[ “ ctg2a/ ( 8i'' / 1>’ ) ] х

х iy(sUlk)d{s2Jll ) ,