книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

На основе использования головных волн в ЦНИИТМАШе Н.П. Разыграевым разработаны специальные ПЭП типа ИЦ-61, ИЦ-70, ИЦ-91, которые дают возможность вести УЗ-контроль подповерхностных слоев, куда не проникают поверхностные волны; обнаруживать дефекты, скрытые под валиком усиления шва; выявлять дефекты в массивных конструкциях, к которым угловым швом приварен тонкостенный элемент; контролировать аустенитные металлы и решать ряд других задач.

0	5	10	15 Z, MM	О	5	10	15 Z, мм
		а				б

0	5	10 Z, мм
		в

Рис. 7.13. Зависимость амплитуды сигнала от глубины для разных размеров отражателей при контроле ЛЭП ИЦ-70:

а - 1,8 МГц; 6 -2 ,5 МГц; в - 5,0 МГц

Для обнаружения дефектов непосредственно под валиком усиления можно применить поперечные волны, трансформиро­ вавшиеся из поверхностных на передней кромке усиления (рис. 7.14а). На экране дефектоскопа видны два эхо-сигнала. Первый - отражение поверхностных волн от кромки, второй - отражение поперечных волн от дефекта. Если усиление имеет плавный переход, то первого сигнала может и не быть. На рис. 7.146 показана зависимость амплитуды эхо-сигнала от величины и глубины залегания отражателей.

Рис. 7.14. Обнаружение дефектов поперечными волнами, трансформированными нз поверхностных:

в- в сварном шве; б - в образце с боковым цилиндрическим отражателем

Впрактике существует ряд дефектов с малым раскрытием (дефекты типа окисных плен, несплавлений, слипаний), обнару­ жение которых крайне затруднено из-за соизмеримости амплиту­ ды эхо-сигнала от дефектов такого рода со структурными шума­ ми от бездефектных участков шва, что имеет место при УЗК сварных соединений с малой шириной зоны проплавления [62].

Указанные дефекты характерны, например, для контактной сты­ ковой сварки оплавлением, аргоно-дуговой сварки, электронно­ лучевой сварки, а также пайки.

Проведенные работы по обнаружению таких дефектов с по­ мощью УЗ-дефектоскопии показали, что дефекты с малым рас­ крытием характеризуются, в основном, зеркальным и, в значи­ тельно меньшей степени, обратным отражением, и поэтому для их обнаружения целесообразно применить эхо-зеркальный спо­ соб контроля. Кроме того, установлено, что при обнаружении дефектов необходимо учитывать структурные шумы сварных швов, т.к. их амплитуды соизмеримы с сигналами от дефектов и время прихода эхо-сигналов от дефектов и структурных шумов швов совпадает. Это приводит к тому, что УЗК необходимо про­ водить на чувствительности, позволяющей разрешать полезные эхо-сигналы на фоне структурных шумов.

Вработах ИЭС им. Патона экспериментально установлено, что выраженные в децибелах амплитуды эхо-сигналов от дефек­ тов и структурных шумов шва хорошо аппроксимируются нор­ мальным законом распределения и выборочное среднее и средне­ квадратическое отклонение структурных шумов могут быть при­ близительно определены из выборки, которая включает струк­ турные шумы и эхо-сигналы от дефектных участков шва. Чтобы выбрать порог для нормально распределенных величин, доста­ точно определить выборочное среднее и среднеквадратическое отклонение амплитуд эхо-сигналов на контролируемом участке сварного соединения.

Впроведенных в ИЭС им. Патона исследованиях показано, что порог обнаружения в присутствии структурных шумов при УЗК целесообразно устанавливать по результатам статистической обработки зависимостей амплитуд эхо-сигналов от расстояния по длине шва; достоверность УЗК при усреднении по многим реали­ зациям значительно увеличивается, а при изменении среднего уровня шума вероятность обнаружения снижается. Весьма целе­ сообразно проводить снятие зависимостей амплитуд эхосигналов по длине шва с целью определения среднего значения уровня структурного шума для каждого стыка, т.к. уровень структурных шумов от стыка к стыку меняется.

7.2. Ул ь т р а з в у к о в о й к о н т р о л ь

св а р н ы х стыков т р у б

Встроительной индустрии применяют трубы диаметром 28... 1420 мм с толщиной стенки 3...30 мм. По дефектоскопичности весь диапазон диаметров можно условно разделить на три

группы: 1) 0 = 28...100 мм и Н = 3...7 мм; 2) 0 = 108...920 мм

иЯ = 4...25 мм; 3) 0 = 1020...1420 мм и Н - 12...30 мм.

Исследования, выполненные за последнее время в МГТУ

им. Н.Э. Баумана, показывают, что при разработке методик ульт­ развукового контроля сварных стыков труб необходимо учиты­ вать такой весьма важный фактор, как анизотропию упругих свойств материала труб.

7.2.1.Особенности анизотропии трубной стали

В инструктивных документах на УЗ-контроль сварных со­ единений труб, выбор угла ввода и зоны перемещения преобра­ зователя установлен исходя из геометрических характеристик сварного соединения (толщины листа, ширины валиков шва). При этом предполагается, что скорости распространения попе­ речных волн постоянны по сечению стенки трубы и не зависят от направления прозвучивания. Однако при УЗ-контроле сварных соединений магистральных газопроводов, изготовленных из оте­ чественных и зарубежных труб, выявлены пропуск крупных кор­ невых дефектов, неправильная оценка их координат, значитель­ ный уровень акустических шумов.

Установлено, что при соблюдении оптимальных параметров контроля и процедуры его проведения основная причина пропус­ ка дефекта - наличие заметной анизотропии упругих свойств ос­ новного материала, влияющей на скорость, затухание и на откло­ нение от прямолинейности распространения ультразвукового пучка.

Прозвучивание металла более чем 200 труб по схеме, пред­ ставленной на рис. 7.15, показало, что среднеквадратичное от­ клонение скорости волны при данном направлении распростра­ нения и поляризации составляет 2 м/с (для поперечных волн). Отклонения скоростей от табличных на 100 м/с и более не слу­ чайны и связаны, ло-видимому, с технологией изготовления проката и труб. Такие отклонения существенно влияют на рас­ пространение поляризованных волн [1]. Помимо описанной

анизотропии, обнаружена неоднородность скорости звука по толщине стенки трубы.

Рис. 7.15. Обозначения наплавлений в металле трубы:

X, У, Z - направления распространения ультразвука; х,у, z - направления поляри­ зации; направление проката; Z - перпендикуляр к плоскости трубы

Листовой прокат имеет слоистую структуру (текстуру), кото­ рая представляет собой вытянутые в процессе деформации во­ локна металла и неметаллических включений. Кроме того, вслед­ ствие воздействия на металл термомеханического цикла прокатки неодинаковые по толщине зоны листа подвержены различным деформациям. Эти факторы приводят к тому, что скорость звука зависит дополнительно от глубины залегания прозвучиваемого слоя. На рис. 7.16 приведены зависимости измеренных значений скоростей поперечных волн от глубины залегания прозвучивае­ мого слоя при распространении звука вдоль а и поперек б обра­

зующей трубы.

С-103 м/с			С-103 м/с
3,5			3,3
3,4 ■ ^	*	X	3,2
W	•	У
3,3			3,1
	О	I
3,2
			10	15	20
3,1	л
10	15		20
а

Рис. 7.16. Дисперсия скорости поперечной волны в зависимости от направления прозвучивания (а - У; о - Д ) и поляризации

Таким образом, прокат ведет себя как анизотропная и неод­ нородная среда с достаточно сложными зависимостями скоростей упругих волн от направления прозвучивания и поляризации. Из­ менение скорости звука примерно симметрично относительно середины сечения листа, причем вблизи этой середины скорость поперечной волны может существенно (до 10 %) снижаться отно­ сительно окружающих областей. В общем скорость поперечной волны в исследуемых образцах меняется в диапазоне 3070...3420 м/с. На глубине до 3 мм от поверхности проката возможно незна­ чительное (до 1 %) повышение скорости поперечной волны.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что расчет углов ввода по известным выражениям сопряжен с большими погрешностями и при больших углах ввода неприемлем. Кроме того, ошибка в задаваемом значении скорости звука на 10 % при толщине изделия 15 мм и угле ввода 60° приводит к ошибке в измерении координаты у дефекта на 3...4 мм и более. Наконец, вблизи поверхности проката скорости звука в нем могут быть больше табличных, поэтому, преобразователи, рассчитанные в соответствии со стандартными методиками, возбуждают в метал­ ле мощную поверхностную волну, которая является источником шумов. Для того чтобы избавиться от этих шумов, необходимо уменьшить угол призмы преобразователя.

Рассмотрим на примере, как проявляет себя анизотропия проката. Будем прозвучивать образец по толщине (в направлении Z - 7) нормальными преобразователями, создающими попереч­

ные волны. Если волна поляризована вдоль оси У , то на экране дефектоскопа можно наблюдать серию донных импульсов (много­ кратных отражений ультразвука от дна) (рис. 7.17а). Если волна поляризована вдоль оси X, то серия донных импульсов смещается

вправо (рис. 7.176); скорость звука при данной поляризации мень­ ше, чем при предыдущей поляризации. Попытка ввести в металл поперечную волну, распространяющуюся вдоль оси Z и поляри­ зованную под углом 45° к оси У, приводит к появлению на экране дефектоскопа серии парных сигналов (рис. 7.17в). Это явление свя­ зано с тем, что в данном случае металл ведет себя подобно анизо­ тропному монокристаллу. Поперечные волны, распространяющие­ ся вдоль оси Z , могут быть поляризованы лишь в двух взаимно

перпендикулярных направлениях, определяемых структурой мате­ риала. Первые сигналы из пар на рис. 7.17в - серия донных им­ пульсов, возбуждаемых волнами, поляризованными вдоль оси У

Вторые сигналы из пар - серия донных импульсов, возбуждае­ мых волнами, поляризованными вдоль оси X. Поскольку волны,

поляризованные указанным образом, имеют разные скорости, соответствующие сигналы разрешаются по времени (см. рис. 7.17в).

6

5у.:.- .1 L

1—- —-1J № -и

в

Рис. 7.17. Картина донных импульсов при прозвучиваиин металла по толщине в зависимости от направления поляризации:

a - y z \ 6 - x z , e - под углом 45° к плоскости

Аналогичным свойством обладают и другие направления распространения. Однако при этом ситуация еще более осложня­ ется тем, что кроме анизотропии имеет место и неоднородность металла по толщине.

7.2.2.Требования к ориентации преобразователей

Поскольку распространение УЗ-волн в основном металле трубного проката носит достаточно сложный характер, для выбо­ ра оптимальных параметров контроля проведено эксперимен­ тальное исследование выявляемости ультразвуком различных отражателей в основном металле труб.

Рассмотрим рассеяние на вертикальном отверстии, имити­ рующем канальные'поры и свищи. На рис. 7.18 приведены ам­ плитуды сигналов, отраженных от пересечения сверления с внут­ ренней поверхностью трубы при использовании совмещенного преобразователя. Видно, что, в отличие от изотропного материа­

ла, амплитуда сигнала зависит от направления распространения волны. Это вызвано двумя причинами. Во-первых, как показыва­

ют измерения, при ср = 90° (см. рис. 7.18) поперечная волна зату­

хает значительно сильнее, чем при <р = 10° Вызвано это, по-

видимому, текстурой проката. Во вторых, при любом <р ф 0; 90е

волна, вводимая в металл, разлагается на две компоненты, поля­ ризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях и распро­ страняющиеся с разными скоростями (сравн. рис. 7.17в). Прием­ ник регистрирует результат интерференции этих двух компонент. При изменении <р сдвиг фаз таких компонент меняется, поэтому

амплитуда регистрируемого сигнала изменяется немонотонно. Если излучаемый импульс имеет длительность менее 1 мкс, то каждый из описанных сигналов можно разрешить. Однако обыч­ но используются импульсы большей длительности, и при изме­ нении направления озвучивания одного и того же вертикального отверстия в прокате изменение амплитуды отраженного сигнала может превышать 20 дБ.

90°	а = so°
120°	60°	z i
	а - 60°
150°	30°	У^

180°

210°

270°

Рнс. 7.18. Изменение амплитуды сигнала от направления прозвучивания н угла ввода:

— х — а = 50“ ;-------

. - а = 60' ;--------

а = 70 ‘

Аналогичные измерения проведены с применением раздель­ ного излучения и приема ультразвуковых волн. Рассмотрено два

наиболее важных для практики варианта реализации схемы прозвучивания «дуэт»: 1) нормаль к поверхности дефекта в точке отражения параллельна образующей трубы (оси У) и 2) перпен­

дикулярна к ней. Первый случай соответствует такой ситуации при контроле, когда источник и приемник расположены с одной стороны от стыкового шва труб, а второй - когда преобразовате­ ли находятся по разные стороны от стыка. Согласно [1], для од­ нородного изотропного материала амплитуда сигнала, отражен­ ного от рассматриваемой модели дефекта, должна возрастать при увеличении угла разворота преобразователей Д . В данном случае такая ситуация наблюдается лишь в первом случае (рис. 7.19а). Во втором случае (рис. 7.196) неоднородность проката приводит к прямо противоположному эффекту: амплитуда сигнала, отра­ женного от полости, уменьшается с ростом угла А. На рис. 7.19 приведены результаты для случая а = 60°, Аналогичные зависи­ мости получаются при а =50°, 70°, а также при озвучивании од­ нажды отраженным лучом пересечения вертикального отверстия с наружной поверхностью трубы, при озвучивании других полос­ тей: углового отражателя, пазов (при а = 50°, 60°, 70°). Частично эти данные также приведены на рис. 7.18.

А, дБ					35	АудБ
					30
					25
					20
					15
20	40	60	80	100	2Д° Ю	20	40	60	80	100	2Д°
					120
		а						б

Рис. 7Л9. Изменение амплитуды сигнала в нижней части листа в зависимости от угла разворота Д и направления прозиучнваиня при а = 60°:

а - перпендикулярно оси Х\ б - вдоль оси /V;------------- вертикальное сверление;

-------------- угловой отражатель

Аналогичные зависимости получаются при контроле средней части сечения. На рис. 7.20 приведены результаты измерения ам-

плитуд сигналов, отраженных от плоскодонного сверления и средней части вертикального отверстия.

35	А, дБ у	у
30	&	l	z
25				*
20					i
	t
15				&
					й
10				1
	20	40	60	80	100 120	20	40	60	80	100 120
			а						б

Рис. 7.20. Изменение амплитуды сигнала в средней части листа в зависимости от угла разворота Д и направления прозвучивании при а = 60й:

а - перпендикулярно оси X; б - вдоль оси Х\----------- вертикальное сверление;

----------------- угловой отражатель

Итак, из рис. 7.18...7.20 видно, что для выбора параметров УЗ-преобразователей, предназначенных для контроля качества сварных соединений труб большого диаметра, в частности, для выбора оптимальных направлений прозвучивания металла, не­ обходимо учитывать анизотропию металла. Наибольшей чувст­ вительности в раздельной схеме можно достичь, ориентируя источник и приемник под наибольшим возможным углом А при контроле вдоль образующей трубы и под наименьшим воз­ можным углом А при контроле вдоль образующей трубы. Этот вывод особенно важен при использовании больших углов ввода

а= 60°, 70°.

Вопределенных случаях скорость поперечной волны вблизи поверхности металла может возрастать с увеличением глубины прозвучиваемого слоя (см. рис. 7.16). Это значит, что при боль­ ших углах ввода ультразвука в металл вблизи поверхности его возможна рефракция: введенная поперечная волна, отражаясь от внутренних слоев, возвращается к наружной поверхности метал­ ла. На рис. 7.21 показано, как амплитуда рефрагированной волны, отраженной от паза глубиной 1 мм, зависит от угла А . В данном случае использование такой волны особенно эффективно, т.к. она меньше, чем волна Рэлея, реагирует на поверхностные неровно­ сти основного металла, и в то же время позволяет легко селекти­