книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

Для трещин, имевшихся в выборке, диапазон изменения со­ ставлял 0,1...9,0 (при а = 5 0 °,/= 1,8 МГц). Практически все по­ перечные трещины и значительное большинство горячих (24 %

в выборке) имеют оценку дисперсии S i <, 0,04 мм2 и PR < 1, что

обуславливает наличие слабой диффузной компоненты рассеян­ ного поля А обр. Это определяет возможность выявления таких

трещин только по краевым волнам, что приводит к большим ошибкам в измерении истинного размера &ф.

На рис. 8.16 приведены гистограммы плотности статистиче­ ского распределения модулей параметров шероховатости берегов реальных трещин [92]. На рис. 8.17 приведена гистограмма плот­ ности распределения шероховатостей на модели трещины [95]. Как видно, все эти распределения близки к гауссовому закону. Относительная шероховатость берегов уменьшается с увеличени­ ем размеров реальных трещин, как показано на рис. 8.43 [99].

р

0,12 2

4

8

12

16

20

24 ^ ю-'. мм2

Рис. 8.16. Гистограммы плотности статистического распределения модулей параметров шероховатости реальны х трещ ин:

а - по оценке дисперсии высоты неровностей si (У - л - ISO шт. 2 - п - 136 шт.)

б - по квадрату среднего угла наклона неровностей (по отношению оценки

дисперсии к оценке интервала корреляции s\ jll)

На рис. 8.18а приведены графики изменения соотношения амплитуд сигналов от шероховатого и гладкого отражателей, а на рис. 8.186 —соотношение амплитуд обратного Аобр и зеркально­

го Л3 сигналов от шероховатой поверхности. Теоретическая кри­

вая А Щ! А Г рассчитана по известному соотношению Aaxj A r ~

= ехр{-1/2РЛ} в предположении, что неровности поверхности

имеют гауссову функцию плотности вероятностей. Этот расчет подтвержден также в работе [126].

Рис. 8.17. Гистограмма плотности распределения ш ероховатостей на модели трещ ины

Рц =2*<TAsina

Рис. 8.18. Отнош ение амплитуд зеркальны х сигналов от ш ероховатой Аш и гладкой Аг свободных границ твердого полупространства (а), и обратного

н зеркального А, сигналов от величины парам етра Рэлея Р„ (б) |92]:

а - + .0 -а » 30°; Д . • - 40е; + . Д - / = 1,8 МГц; О. • - / = 2.5 М Гц;

с - г =0,69; <тА —6,74; aR = 0,24; а = 3,5 дБ

Экспериментальные точки получены автором на физических моделях трещин - поверхностях излома крупногабаритных об­ разцов [92]. Несмотря на значительную дисперсию результатов экспериментов, вызванную волнистостью поверхностей излома, экспериментальные результаты удовлетворительно согласуются с расчетными вплоть до PR < 2,5, а степень рассеяния (средне­

квадратичное отклонение SA) характеризует возможные измене­ ния коэффициента отражения сигнала от реальной диффузно от­ ражающей поверхности при известном параметре Рэлея.

Из сопоставления гистограмм рис. 8.16 с отражательными характеристиками физических моделей трещин [92] следует, что 32 % трещин имеют PR < 1, дают зеркальное отражение ультра­

звука и, следовательно, не могут быть выявлены при контроле одним наклонным ПЭП. На практике этот случай встречается, когда возникают дефекты с устойчивой морфологией, например, поперечные или усталостные трещины. Оценка среднеквадратич­ ного отклонения амплитуды сигнала не зависит от PR и со­

ставляет, по нашим данным, 5А= 1,41 (2,98 дБ) при доверитель­ ном интервале 0,95 и 5Л = 2,85 (9,1 дБ) при доверительном интер­ вале 0,99 (см. рис. 8.18а).

В случае априорной неопределенности параметров шерохо­ ватости берегов трещины изменения коэффициента отражения от

нее могут составлять ~ 30...40 дБ.

Шероховатая поверхность приводит к появлению дополни­ тельных спектров (лепестков) в индикатрисе рассеяния от отра­ жателя ограниченного размера (рис. 8.19а) и к увеличению дис­ персии амплитуды отраженного сигнала с возрастанием частоты (рис. 8.196).

Большой интерес для практики представляет анализ соотно­

шения диффузной (обратноотраженной)' и зеркальной ком­

понент сигналов. По нашим данным во всех случаях (в имеющей­ ся выборке) зеркальный сигнал дает более полное представление о величине трещины, размер которой 2ЬА > </Эф (см. рис. 8Л86).

Хотя корреляционная связь недостаточно тесная. Коэффициент корреляции гк = - 0 ,6 9 .

В работе [126] выполнен расчет предельных значений шеро­ ховатости, при которых диффузная компонента поля ( Л ^ ) пре-

вышает зеркальную (А 3). Эти данные приведены в табл. 8.1 и

могут быть использованы для расшифровки осциллограмм.

а

б

Рис. 8.19. У гловая зависимость рассеянного поля от гладкого (/)

иш ероховатого (2) отражателей одного размера (а); изменение среднеквадратичного отклонения амплитуды эхо-сигнала

от ш ероховатого отраж ателя с увеличением частоты У З-колебаннй (б);

--------------- тео р и я ,-------------эксперимент |95]

Таблица 8.1

Предельные значения неровностей моделей трещин, мкм

Угол падения	Частота,		Мода волны		1-1
на дефект,	МГц	1-1	1-(	t - t
град.
0	10	150	—	80	-
20	10	165	110	95	125
30	5	250	210	175	230

Таким образом, знание шероховатости отражающей поверх­ ности важно для обоснованного перехода от эквивалентных раз­ меров дефекта к фактическим. Поэтому можно настойчиво реко­ мендовать изучение параметров шероховатости реальных трещин с целью получения банка данных для характеристик, материалов и видов сварки.

8.3.3. Ракурс озвучивания плоскостного дефекта

Ориентация плоскостного отражателя относительно акусти­ ческой оси ультразвукового пучка (ракурс озвучивания) 9 являет­ ся существенным фактором, влияющим на амплитуду сигнала.

При ручном контроле £э измеряется по максимуму сигнала, что предусматривает выбор соответствующего ракурса озвучива­ ния по азимуту. Влияние азимутальной ориентации дефекта ска­ зывается только при автоматизированном контроле, когда ПЭП ортогонален продольной оси шва, и будет рассмотрено далее. Ориентация же плоскостного дефекта в вертикальной плоскости весьма существенно влияет на амплитуду сигнала.

Очевидно, что для дефектов, расположенных на расстоянии большем пространственной длины зондирующего импульса г > ст/2, максимальный сигнал обеспечивается при ортогональ­ ности оси пучка и плоскости дефекта. Изменение ракурса озву­ чивания существенно сказывается.

В	частности,	для дископодобного дефекта изменение
AQ/AQ=о показано на рис. 8.20. В случае шероховатых дефектов в
области	1 < / д < 4	соотношение Л0/Л0=о может быть вычислено
по формулам [99].
	Среднеквадратичная высота неровностей

Рис. 8.20. Изменение амплитуды сигналя/4 от высоты неровностей отраж ателя диаметром 30 мм при прозвучнванин на частоте 10 М Гц н углах падения:

______ 30®, зеркальное отражение; . 0е, зеркальное отражение;

-------- 30®, диффузионное отражение [126]

Ранее было показано [96, 97], чтопри устоявшемся техноло­ гическом процессе сварки плотность вероятности распределения трещин по ориентации является гауссовой. В перлитных и фер­ ритно-мартенситных швах среднее квадратичное отклонение от­ носительно вертикальной стф и продольной OQ осей шва соответ­ ственно составляет 7,1 и 4,2° для электрбшлаковоЙ сварки и 8,5 и 4,9° для автоматической дуговой. В аустенитных швах <тф -13,2°

ста = 6,8°.

Эти данные позволяют произвести априорную оценку воз­ можных изменений амплитуды сигнала от произвольно ориенти­ рованных по вертикальному углу ср трещин с различной шерохо­ ватостью, отражающей поверхности и оценить критичность в вы­ боре угла ввода. С использованием аналитических выражений [99] для значений стл = 0,44 и 0,6 мм получено, что при увеличе­ нии угла ввода а от 39 до 65° амплитуда сигнала А увеличивается на 56 дБ при прозвучивании одним ПЭП и только на 3,2 дБ - при прозвучивании эхо-зеркальным методом («тандем»). Коэффици­ ент варьирования амплитуды у = оА!А для этих же а уменьшается

в 2,5...6,6 раз при одном ПЭП и практически остается постоян­ ным, равным 0,17 для а* = 0,44 мм и 0,24 для а*, = 0,6 мм, при эхо-зеркальном методе (ЭЗМ).

Результаты анализа подтвердили высокую критичность ам­ плитудной дефектометрии к углу ввода при контроле одним ПЭП. Наибольшая вероятность обнаружения и точность в изме­ рении величины трещин достигается при контроле ЭЗМ [14].

Увеличение среднего наклона шероховатости неровностей поверхности трещин tg5 существенно снижает вероятность их обнаружения ЭЗМ при оптимальных ракурсах озвучивания, но зато увеличивает при не оптимальных. При измерении асиммет­ ричной .системой «тандем» ориентация плоскостного шерохова­ того дефекта не изменяет амплитуду сигнала, что указывает на целесообразность использования в качестве приемника в них ПЭП с ненаправленной апертурой. Уменьшение шероховатости дефекта практически не влияет на величину ошибки гдеи измере­ нии ЭЗМ и существенно (в 4... 11 раз) увеличивает ошибку при контроле одним ПЭП.

Автором установлено, что на реальных дефектах при изме­ нении угла ввода а в диапазоне 39...700 среднее значение гради­ ента изменения. Д Ла относительно максимума для непроваров

дефекта, определив по максимуму сигнала ориентацию послед­ него в пространстве. В частности, несплавления (непровары) по кромке всегда ориентированы в плоскости разделки, угол кото­ рой известен.

Поиск дефектов также должен проводиться с применением ПЭП с различными углами ввода. На рис. 8.22 показано измене­ ние вероятности обнаружения дефектов в зависимости от приме­ ненной комбинации ПЭП. При этом максимальная вероятность обнаружения и правильность оценки величины дефекта достига­ ется ЭЗМ и в случае совмещенных ПЭП при уровне чувствитель­ ности > 14 дБ по отношению к опорному сигналу от бокового цилиндрического отражателя по ASME Code [120].

Р , %

Рис. 8.22. Вероятность обнаружения деф ектов Р в зависимости от уровня чувствительности А, (по методике ASM E Code) н схем контроля:

1- ПЭП а = 45° с одной поверхности; 2 - ПЭП а = 45; 60° с одной поверхности; 3 - ПЭП а =45; 60° с обеих поверхностей; 4 - ПЭП «вариальфа» с шагом' 30° и «тандем» с обеих поверхностей; 5 - т о же с шагом 15° [133]

8.3.4. Ширина раскрытия и заполнение полости дефекта

Существенными факторами, влияющими на величину ампли­ туды эхо-сигнала, являются раскрытие дефекта и материал за­ полнения полости.

Экспериментальные исследования с использованием лазерно­ го излучения, создающего высокоамплитудные акустические ко­ лебания в металле, показали, что при ширине раскрытия трещины более 50 нм берега (грани) трещины не соприкасаются друг с другом [128]. При моделировании дефектов путем сжатия двух свободных полированных металлических или стеклянных по­ верхностей друг с другом установлено, что коэффициент отраже­ ния продольной волны Rit от таких несплошностей сильно зави­

сит от частоты и размеров дефекта по фронту волны. Это приво­ дит к изменению огибающей спектра и формы импульсов УЗ-ко- лебаний [58].

На рис. 8.23 приведены зависимости коэффициента отраже­ ния продольных волн R/i от ширины раскрытия несплошностей.

Ширина зазора реальных трещин, при котором начинает умень-

•шаться коэффициент отражения Rlt, на два-три порядка превос­

ходит предсказанный теорией. По-видимому, это расхождение объясняется неточностью измерения амплитуды колебательной скорости на берегах трещины.

При малом раскрытии до 1...2 мкм дефекты практически не выявляются при прозвучивании на частотах до 4...5 МГц [118]. Заполнение полости дефектов с большим раскрытием вольфра­ мом или плотным шлаком снижает коэффициент отражения со­ ответственно на 0,33 и 0,35...0,67 [58].

Рис. 8.23. Зависимость коэффициента отражения продольных волн от ш ирины раскры тия несплошностей:

1 - теоретическая [128]; 2 и 3 - экспериментальные [95]

Уровень и знак напряжений определяют ширину раскрытия трещины и коэффициент отражения R. На рис. 8.24 приведены

экспериментальные данные, показывающие, что коэффициент отражения при сжимающей нагрузке 5 кг/мм2 уменьшается в за­ висимости от частоты в 1,5...2,5 раза [106]. При изменении шири­ ны раскрытия усталостных трещин от 1 до 10 мкм в образцах из углеродистой стали SB 42 сечением 80x20 мм амплитуда эхо-

сигнала при прозвучивании наклонным ПЭП а = 45° возрастет на 25...30 дБ [118]. Величина раскрытия более 10 мкм уже не влияет на амплитуду сигнала.

Рис. 8.24. Зависимость коэффициента Ад от частоты и величины сжимающей нагрузки |106|:

1- f = 4 , 0 ; 2- 2 , 0 М Г ц

При изменении знака статической нагрузки от +22,5 (растя­ жение) до -2 2 ,5 кг/мм2 амплитуда сигнала в среднем от трещин

(длиной 10 мм и высотой 1,3...3,5 мм с неокисленными берегами) уменьшается на 20...24 дБ, а от трещин с берегами, покрытыми окисной пленкой, уменьшается на 3...4 дБ. Любопытно, что зави­ симость амплитуды сигнала от знака и величины нагрузки харак­ теризуется устойчивой петлей гистерезиса (рис. 8.25). Это объяс­ няет случаи невыявления значительных трещин в сжатых участ­ ках трубопроводов и стянутых непроваров в корне двусторонних швов, впервые отмеченные В.П. Пушкиным.

Свидетельством тому, что сжатые трещины и непровары рас­ крываются в процессе эксплуатации, могут служить результаты дефектоскопии до и после эксплуатации в течение какого-то пе­ риода. В частности, в тщательно и многократно предварительно проконтролированных кольцевых двусторонних сварных швах сосудов из стали Крезолсо 330Е толщиной 115 мм после года эксплуатации были обнаружены корневые дефекты эквивалент­ ной площадью до 25 мм2 и протяженностью до 135 мм. Вырезка