книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений
..pdfПогрешность в установлении уровня чувствительности в за висимости от наклона Д отражающей грани зарубки или пропила от нормали к поверхности на 5° составляет 1... 1,5 дБ (рис. 8.7). Положение зарубки на образце из легированных сталей тоже мо жет вносить систематическую погрешность в уровень настройки (рис. 8.8). При расположении зарубки вблизи линии сплавления амплитуда эхо-сигнала на 3...4 дБ больше. Очевидно, текстура шва на границе сплавления как бы увеличивает отражающую поверхность зарубки [71].
А/Ао, дБ
Рис. 8.7. Зависимость амплитуды эхо-сигнала от угла встречи с дефектом: о - пропил глубиной 2 мм; х -зар у б к и 3 x 2 мм; о -трещ и н ы глубиной 1...3 мм; V - коррозионные язвины, глубина 0,8...2 мм [87]
Для обеспечения воспроизводимых результатов контроля не обходимо, чтобы суммарная систематическая погрешность не превышала 3 дБ, поэтому все перечисленные систематические погрешности должны быть по возможности уменьшены. Один из наиболее эффективных путей этого - жесткая регламентация со ответствующих требований в производственных методических инструкциях.
Рис. 8.8. Влияние положения зарубки на сварном ш ве из стали 12хмф
на амплитуду эхо-сигнала (71 j
8.2.2. Случайные ошибки
Случайные ошибки .чаще всего приводят к выбросу результа та за уровень разумного значения (аномальный результат) или к разбросу результатов повторных замеров относительно какой-то средней величины даже при самых тщательных измерениях. Обычно они возникают вследствие случайных, неконтролируе мых изменений какого-либо из условий измерений (например, флуктуаций акустического контакта).
Случайные ошибки в определении координат возникают вследствие каких-то неожиданных и неконтролируемых измене ний условий контроля, например:
а) изменения угла ввода а вследствие наклона преобразова теля на какой-либо неровности поверхности контролируемой конструкции (брызги от сварки, вмятины, песок и др.);
б) неточной установки преобразователя в положение регист рации максимума эхо-сигнала вследствие нарушения акустиче ского контакта;
в) значительной ширины валика усиления, вследствие чего дефекты, прилегающие к границе мертвой зоны, берутся не цен тральным, а боковым лучом диаграммы направленности;
г) неточность установления ПЭП на поверхности при изме рении максимума эхо-сигнала. Эта ошибка кардинально исклю чается при использовании процессорного дефектоскопа в режиме М («заморозка»).
Эти случайные ошибки обычно легко устраняются проведе нием повторных измерений после устранения мешающих факто ров. Кроме того, в сомнительных случаях рекомендуется опреде ление координат проводить с обеих сторон шва прямым и однаж ды отраженным лучом и также использовать преобразователи с различными углами призмы.
Случайные ошибки в настройке уровня чувствительности и оценке величины дефектов амплитудным методом определяются теми же причинами, что и случайные пеленгационные ошибки. Но основным источником этих ошибок явилась недостаточная квалификация или невнимательность оператора.
Так, среднеквадратичное отклонение при многократных из мерениях амплитуды эхо-сигналов составляет: у операторов 2-го разряда - 1,05, оператора 3-го разряда - 0,7, оператора 4-го раз ряда-0,5, инженера - 0,4 дБ [40]. Необходимо совершенствовать качество подготовки операторов, обратив особое внимание на повышение техники выполнения измерительных операций. Большой эффект может быть достигнут при применении специ альных тренажеров в процессе подготовки оператора. В частно сти, разработанные под руководством А.К. Гурвича в СанктПетербурге и В.Ф. Лукьянова в Ростове-на-Дону тренажеры на базе персонального компьютера позволяют совершенствовать технику сканирования, обнаружения и измерения дефектов в ис пытательном образце.
8.3. О б ъ е кт и в н ы е о ш и б ки и ф а к то р ы ,
ИХ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ
Рассмотрим роль различных объективных факторов, влияю щих на погрешность обнаружения и измерения реальных разме ров несплошностей при амплитудной дефектометрии сварных соединений, иллюстрируемых схемой на рис. 8.9.
80 мм. Озвучивание в диапазоне углов а = 0...80° проводили ПЭП с изменяемым углом ввода типа ИЦ-52. Сигналы нормиро ваны по опорному сигналу от бокового цилиндрического отража теля диаметром 3 мм. Углу 90° на диаграмме соответствуют зна чения, полученные эхо-зеркальным методом (схемой «тандем») с а = 45° Как видно из рис. 8.10, угловая ширина индикатрисы рассеяния трещины значительно уже, чем включения, а градиент изменения амплитуды при варьировании угла озвучивания значи тельно больше.
Асимметричность индикатрисы рассеяния объясняется слу чайной конфигурацией дефекта и различной отражательной спо собностью. Поэтому отношение А\/А2 амплитуд сигналов от из
меренных с различных сторон дефектов имеет существенный разброс. Как показано в [95], он может доходить до 18 дБ. Для трещин А \!А2= 1,57, а оценка среднеквадратичного отклонения 5 ( Л 2/ Л 2) =0,097. Для непроваров A\fA2 = 2У9Уa S ( A 2/ A 2) =
= 1,91 (рис. 8.11).
Рис. 8.11. Гистограмма плотности распределения соотношения амплитуд сигналов при прозоучиванни с двух сторон ш ва:
1- трещины; 2 - непровары
Неопределенность формы дефекта приводит к большому рас сеянию результатов и большой ошибке в измерении 5ф по 5Э. Это иллюстрируется графиками рис. 8.12, 8.13, а также рис. 8.14, по лученными на аустенитных образцах толщиной 20...25 мм, в ко торых имелись несплавления по кромке и непровары в корне шва [129]. Хотя очевидно, что в данном случае упругоанизотропная структура аустенитных швов также способствует рассеянию из мерений.
Рис. 8.12. Корреляционные зависимости между истинной Ьх
иизмеренной величиной дефекта Ь„:
а- программа PISCI, стыковой шов, плита 5 = 260 мм, методика ASME Code на уровне чувствительности 20 % от опорного [108]; б - стыковой шов, трещины,
а= 39 и 45°, по максимуму сигнала при прозвучивании в диапазоне частот
1,7. .6,0 МГц (1); гладкие трещины на одной частоте 4 МГц, а = 45 и 60° (2);
е- npoipaMMa PISCII, образец № 3, угловой шов патрубка. Dy 800, по стандартной методике ASME Code на уровне чувствительности 20 % от опорного [108];
г- т о же, что и на рис. 8.12в, при механизированном контроле [108];-и ллю стри рованные при коэффициенте корреляции rK= 1 ;--------- фактическое значение гк
Дифракционное ослабление поля излучения - приема в даль ней зоне ПЭП пропорционально гп [45]. Для объемных дефектов (поры, компактные включения) п —2 (2,01); для вытянутых вклю
чений, непроваров «= 1,5 (2,36... 1,4); для плоскостных дефектов, развитых в двух измерениях (трещина, непровар), поперечным размером bA> (3...4) п = 1 (0,96). Здесь первое число получено для
моделей дефектов, а в скобках экспериментальные значения для различных дефектов из [40].
Если истинный размер дефекта определяется по корреляци онным зависимостям гк (5ЭЗ5Ф), установленным для одного типа
дефекта, например поры, то априорная неопределенность в его форме, например, если дефект принимают за трещину, располо женную на расстоянии /* = 100 мм, может привести к ошибке в оценке 5Фв 1000 %. По экспериментальным данным [96], впо следствии подтвержденным в работах [58, 105], эта ошибка при прозвучивании одним наклонным ПЭП лежит в пределах 200 - 700 %. Для уменьшения ошибки измерения эквивалентной площади авторы [40] рекомендуют использовать различные АРД-диаграммы для компактных и протяженных дефектов.
Одной из причин занижения размеров дефектов или даже их невыявления является резкий провал в спектре эхо-сигнала на частоте, соответствующей длине волны, равной удвоенной высо те трещины [95]. Этот же эффект может наблюдаться на больших трещинах с крупными неровностями, что приводит к неправиль ной идентификации дефекта.
8.3.2.Шероховатость отражающей поверхности плоскостных дефектов
Как показано, в частности в [126], дифракция волны на де фекте связана с появлением различных типов волн. Обратно отраженный к ПЭП сигнал от реального плоскостного дефекта формируется из следующих составляющих: диффузной компо ненты, зеркального сигнала от участков поверхности, ортого нальных лучу («блестящие точки»), и дифрагированных волн на краях (краевых волн). Возникающие боковые волны имеют ма лую интенсивность и практически не регистрируются. Энергети ческое соотношение указанных компонент в случае плоской па дающей волны зависит от волновых размеров дефекта, ракурса озвучивания, характеристик шероховатости поверхности и степе ни ее изотропности.
Для малых дефектов, поперечный размер которых 2Ьа > <^ф
(эффективный диаметр пучка), выяснить роль каждого из меха низмов пока не удается. Из эвристических соображений можно считать, что в этом случае основной вклад в амплитуду обратного сигнала вносят 2-й и 3-й механизмы. При 2Ьд > сУэф поверхность
трещины более гладкая [92] и сигнал от средней части обуслов лен только 1-м механизмом, т.е. диффузным рассеянием. Краевые
волны в этом случае формируются периферийными лучами диа граммы направленности, приходят с существенным запозданием и не интерферируют с диффузной компонентой. Большие трещи ны характерны для электрошлаковых швов и чрезвычайно опас ны, т.к. не обнаруживаются при рекомендуемых НТД уровнях чувствительности дефектоскопа.
Рассмотрим физические особенности формирования на де фекте диффузного рассеянного поля. При озвучивании плоской волной неровной поверхности под углом скольжения а направ ление отраженной волны определяется отношением ее длины волны X к длине Соответствующей гармонической составляющей шероховатости (периоду) А/, или высоте неровности А. Поле рас сеяния от изотропных и стационарных в статистическом смысле поверхностей, поперечный размер которых 26д > d^, определяет
ся соотношением X /Ал. В случае высокочастотных случайных неровностей, для которых Л/, соизмеримо с А и, в свою очередь, А
« X, поле рассеяния имеет диффузный характер. Критерием зер
кального отражения от шероховатого дефекта является малость параметра Рэлея PR = 2k<ihsin а < 1, где сгй - средняя квадратич
ная величина неровностей; к =2я/Х - волновое число; а - угол
скольжения фронта волны к плоскости отражателя [126]. Коэф фициент рассеяния пропорционален / 4 при произвольном виде корреляционной функции профиля поверхности.
Если PR > 1, то имеет место диффузное отражение. В этой
области при нормальном падении волны на отражатель угловая зависимость коэффициента рассеяния по интенсивности подчи няется закону Ламберта: U ^jVQ= costp (<p - угол наблюдения).
Если неровности достаточно плавные, их высота А > X , а уг лы скольжения не малы, то отражение в каждой точке неровной поверхности происходит по законам геометрической акустики, т.е. так же, как от бесконечной плоскости, касательной и неров ной поверхности в данной точке. Для таких поверхностей рассея ние не зависит от частоты и имеет выраженную направленность, сильно зависящую от вида корреляционной функции профиля.
Параметр Рэлея зависит не только от волнового размера не ровностей, но и от ракурса озвучивания дефекта. Поэтому один и тот же отражатель в зависимости от угла а. может давать зер кальное или диффузное отражение.
