книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений
..pdfА.З. Райхманом и М.И. Апаховым получены данные по выявляемости реальных дефектов в трубах поверхностей теплообмена диаметром 32x4 рентгеновским и ультразвуковым методами с использованием акустической системы, состоящей из четырех наклонных ПЭП, размещенных симметрично под углом 45° к оси шва (табл. 8.6).
Учитывая, что основную массу невыявленных радиографированием дефектов составляют сжатые непровары и трещины, сле дует признать эффективность разработанной системы высокой.
Эффективность обнаружения дефектов эхо-зеркальным мето дом значительно выше, чем при контроле одним ПЭП.
Таблица 8.6
Выявляемость дефектов в трубах поверхностей теплообмена
Способ контроля |
Число недопустимых |
Число выявленных |
|
|
дефектов |
дефектов |
|
Ультразвуковой |
74 |
68 |
|
Рентгеновское просвечи |
74 |
41 |
|
вание с одной стороны |
|||
|
|
На рис. 8.38 представлены полигоны частот распределения амплитуды эхо-сигналов от реальных плоскостных дефектов при прозвучивании по совмещенной схеме серийными ПЭП с углами
призмы р = 30, 40 и 50° и по схеме «тандем» с раздельно вклю ченными ПЭП при р = 40е Измерения проводились на частоте 1,8 МГц на сварных соединениях толщиной 52... 150 мм, выпол ненных ручной электродуговой автоматической сваркой под сло ем флюса и электронно-лучевой сваркой перлитных сталей 22К, 48ТС, ИЦ2 и 16ГС. Под выявляемостью понималось отношение амплитуды А сигнала от реального дефекта к амплитуде Аэ сиг нала от плоскодонного отверстия диаметром dyi = 3 мм, располо
женного на глубине залегания исследуемого дефекта.
При оценке на выбранном уровне чувствительности d„ = 3
мм практически все трещины и несплавления в процессе контро ля по совмещенной схеме (кривые 1...3) не будут выявлены. ПЭП
с р = 30 и 40° обеспечивают практически одинаковую выявляе мость плоскостных дефектов.
Достоверность дефектометрии определяется степенью точ
ности определения истинной величины дефекта по тем или иным измеряемым информативным признака** [31, 5В, 96]. Поскольку форма и отражательные характеристики дефекта случайны, про цесс дефектометрии также является вероятностным и характери зуется теснотой корреляционных связей между информативными признаками и действительными размерами дефектов. Точность оценки размеров дефекта повышается с увеличением коэффици ента корреляции гк.
На рис. 8.12, 8.13, 8.21 приведены некоторые из таких зави симостей, полученные для реальных дефектов. Коэффициент корреляции гк между фактической отражательной площадью де фекта Sn и S, или фактическим линейным размером Ьл и измерен
ным непосредственно или по АРД-диаграммам в виде
ЬИ- (5’э/л)1/2 зависит от типа дефекта параметров пьезоэлектриче
ского преобразователя (ПЭП) и способа прозвучивания.
В табл. 8.8 приведены коэффициенты корреляции рк между эквивалентной площадью S3, условной протяженностью вдоль шва AL и условной высотой по сечению шва Н и соответствую щими размерами дефектов (S', AL\ AH') [89].
Из приведенных в табл. 8.8 данных следует, что наиболее достоверной измеряемой характеристикой дефекта является эк вивалентная площадь Sy, а наименее достоверной - условная вы сота AH’. Поскольку обе характеристики измерялись для одних и
тех же дефектов, можно сделать вывод, что это различие обу словлено не отражательными свойствами дефекта, а погрешно стью измерений.
Выборочное среднеквадратичное отклонение при измерении истинной площади дефекта S' по Sy составляет Т (S') = 1.5...3 мм2 для объемных и I (S') = 2,2...5,7 мм2 для плоскостных дефектов.
При этом коэффициент вариации по каждой группе |
дефектов |
v = ЗГ(S')fM(S') составляет соответственно vo = 0,24 й |
vn = 0,43. |
Значительная величина последней оценки у плоскостных дефек тов объясняется большими вариациями конфигурации и характе ристик профиля трещин.
На рис. 8.40 приведена зависимость истинных ds и эквива лентных dy размеров реальных дефектов в вертикальной плоско сти. В области размеров объемных дефектов 2 < ds <8 мм эта
п со
зависимость аппроксимируется выражением d3= 2ds' , что сви
детельствует о возможности определения истинных размеров объемных дефектов по тарировочной кривой. Для плоскостных дефектов (кривая 2), измеренных одним ПЭП, низкое значение градиента dd3/dds <0,1 предопределяет большую ошибку в
оценке их эквивалентной площади. Эти же дефекты, прозвученные по схеме «тандем» (кривая 5), обеспечивают dd3/ddx » 0,8.
Рнс. 8.40. Корреляционная зависимость между эквивалентным диаметром </,
иего истинным размером в поперечном сечении d,:
•—объемные дефекты (кривая /); х, Д - трещины соответственно при измерении
одним ПЭП и по схеме «тандем» (кривые 2 нЗ)
Более тесная корреляционная связь наблюдается между ус ловной и действительной протяженностью дефекта вдоль шва. Относительно низкое pK(L', L) для трещин, по-видимому, объяс
няется тем, что концы трещин имеют малое раскрытие и не выяв ляются на рентгенопленке.
Из табл. 8.9 следует, что математическое ожидание абсо лютной погрешности М (ДL), среднеквадратичных погрешно стей отдельных измерений J (AL) и среднего 0(Д£) увеличива
ется с возрастанием длины дефектов. Для небольших дефектов
(L' < 10 мм) при измерении У3-методом размер дефекта получа
ется больше действительного, а для протяженных - меньше.
Таблица 8.8
Корреляция между размерами дефектов и информативными признаками
|
|
Дефект |
Эквивалентная |
Условная про |
Условная высота |
|||
|
|
|
площадь дефекта |
тяженность |
дефекта |
|||
|
|
|
|
|
дефекта |
|
|
|
|
|
|
Рк^А ) |
число |
|
|
|
Ч И С Л О |
|
|
|
|
дефек- |
|
|
X |
дефек |
|
|
|
|
тов |
P,{L\L) |
Ч И С Л О |
< |
тов |
|
|
|
|
ас |
||||
|
|
|
|
|
|
де |
|
|
|
|
|
|
|
|
< |
|
|
|
|
|
|
|
|
фек |
а. |
|
|
|
|
|
|
|
тов |
|
|
51 |
|
Шлако |
0,815 |
39 |
0,723 |
60 |
0,655 |
39 |
|
вые |
0,825 |
10 |
— |
— |
0,482 |
38 |
|
и |
|
включе |
0,822 |
39 |
0,811 |
56 |
0,734 |
10 |
«о О |
||||||||
о |
1 |
ния |
— |
— |
0,625 |
41 |
0,567* |
13 |
|
|
|
|
|
|
|
0,495* |
9 |
|
|
Среднее |
0,821 |
|
0,720 |
- |
0,585 |
- |
|
'н |
Непро |
0,744 |
32 |
0,749 |
31 |
0,482 |
38 |
о |
вары |
- |
- |
- |
- |
0,675* |
11 |
|
*0 |
|
|
||||||
О |
= |
|
- |
- |
- |
- |
0,387* |
11 |
* |
9- |
|
||||||
е_> а |
Трещины |
0,789 |
42 |
0,524 |
30 |
0,361* |
13 |
|
§ |
3 |
|||||||
|
|
|
- |
- |
- |
— |
— |
— |
|
и |
|
— |
— |
— |
— |
— |
— |
|
wQ |
0,794 |
- |
0,664 |
- |
0,531 |
- |
|
|
|
Среднее |
||||||
* Условная высота, измеренная относительным методом, т.е. на уровне 6 дБ максимальной амплитуды.
Таблица 8.9
Корреляция условной и истинной протяженности дефекта
Протяжен |
Коэффици |
Параметры абсолютной |
Число |
||
ность де |
ент корре |
|
погрешности |
|
нзмере- |
фекта £'*, |
ляции |
|
|
|
* ний |
мм |
|
|
|
|
|
|
Рк(^Х) £*) |
М(Д£) |
s(AL) |
0(Д£) |
|
10 |
0,723 |
-0,35 |
1,925 |
0,25 |
60 |
10...50 |
0,811 |
+5,6 |
5,98 |
0,8 |
56 |
Достаточно тесная корреляция истинных и условных разме ров дефектов наблюдается, когда размер дефекта в измеряемом направлении превышает эффективный диаметр пучка и соответ ствует указанным значениям с плюсовым допуском. В частности, в [119] показано, что протяженность 65% плоскостных протя
женных дефектов измеряется с погрешностью не более ± 5 мм, а 87 % - с погрешностью не более ± 10 мм. При меньших размерах дефекта корреляция значительно хуже и соответствует мини мальным значениям с минусовым допуском, а в ряде случаев и меньше. Например, в работе [133] на выборке в 50 коррозионных трещин под напряжением длиной 2... 10 мм показано, что их про тяженность по результатам измерения занижается на 30...50 %.
Условная высота дефекта, оцениваемая как разность высот крайних точек дефекта, измеренных на заданном уровне чувстви тельности или на определенном (например, 6 дБ) уровне от мак симума сигнала, весьма слабо коррелирует с истинной высотой дефекта (гк= 0,53) [89]. В то же время условная ширина ДЛ'у, из
меренная в виде отношения к ширине огибающей бокового ци линдрического отражателя на том же уровне от максимального сигнала (б дБ), существенно повышает коэффициент корреляции. Тем не менее этот признак для оценки качества можно использо вать весьма осторожно и обязательно в сочетании с другими ин формативными признаками.
В.Е. Белым, И.Ф. Щедриным и др. в ЦНИИТМАШ установ лена хорошая корреляция между реальными и условными разме рами усталостных трещин (42 штуки), находящихся в сечении шва. При этом наиболее тесная корреляция наблюдается между фактической площадью трещины и площадью эквивалентного
эллипса = (nH yLy^ j4 , где Ly и Я у - соответственно услов
ная протяженность, измеренная на уровне 0,5 мм2; и условная высота, определенная как разность координат эхо-сигналов от нижнего и верхнего краев трещины, измеренных при одном по ложении ПЭП. При этом линия регрессии этой зависимости ис ходит из начала координат, а 5эл/5р s 1. Это объясняется тем, что контур усталостных трещин (в пределах исследованных размеров по длине 3,5...47,0 мм и по высоте 1,0...9,2 мм) весьма близок к эллипсу. Результаты важны для прочностных расчетов, при. кото рых исходят из формы трещины в виде эллипса.
Серьезной проблемой ультразвуковой дефектометрии являет ся воспроизводимость оценки величины дефектов при контроле, проведенном до и после термообработки. Она обусловлена флук туациями коэффициента затухания ультразвука в пределах кон тролируемого объема металла вследствие его неоднородности и их изменениями после термообработки. Характерным примером
могут служить изменения коэффициента затухания 6, дБ/м, в от ливке из стали 34ХН1М и относительная ошибка AS/S, в измере нии эквивалентной площади, приведенные в табл. 8.10.
Таблица 8.10
Вариации коэффициента затухания ультразвука
на частоте 2,5 МГц после термообработки
Вид термообра- |
|
|
5, дБ/м |
|
д а д , % |
ботки |
М И Н |
макс |
сред |
среднеквадратич |
|
|
|
|
нее |
ное отклонение, |
|
|
|
|
|
дБ/м |
|
До термообра |
11 |
24 |
16,5 |
3,3 |
390 |
ботки |
|
|
15,4 |
и з |
|
Первый отжиг |
13 |
18 |
75 |
||
Второй отжиг |
8 |
17 |
12,1 |
1,53 |
100 |
Нормализация |
12 |
22 |
18 |
1,1 |
75 |
Аналогичные исследования вариаций эквивалентной площа ди несплавлений в аустенитной наплавке после термообработок выполнены на Ижорском заводе. Было установлено, что после трех термообработок большинство дефектов увеличивает эквива лентную площадь, хотя некоторые дефекты после термообработ ки закрываются и их эквивалентная площадь уменьшается (см. 7.8).
Глубина залегания дефекта и его размер также оказывают существенное влияние на точность измерения его координат и размеров. В частности, в исследованиях по программе PISCII по казано, что ошибка в определении, координат залегания дефекта до глубины 30...40 мм весьма мала. Если же дефект лежит на глу бине 250 мм, то ошибка в определении его местоположения мо жет достигать 15...18%, причем ошибка, как правило, в плюсо вую сторону [75, 108,111].
Малые дефекты (до 10 мм) завышаются в размере на 10...28%, дефекты больше 25 мм занижаются на 5...15%. По данным программы PISCII, при контроле кольцевого сварного шва патрубка толщиной 200 мм ручным методом средняя абсо лютная ошибка в определении размера в вертикальном направле нии составляет - 3,9° и вдоль продольной оси 9,9°. При механи зированном контроле эти же ошибки составляют 5,7 и 1,7°.
Эти факторы весьма значимы и действительно не могут быть нейтрализованы даже самым квалифицированным оператором, о чем свидетельствуют результаты исследований во всех странах.
В частности, по данным из [118], абсолютная ошибка в измере нии длины даже искусственных дефектов составляет ± 3...6 мм; по данным [108], средняя ошибка в измерении сигнала от плос кодонных отражателей составляет 5,6 дБ. Поэтому автор цити руемой работы, в частности, считает, что в нормативной доку ментации должна быть заложена погрешность измерений 6 дБ. По данным нашего анализа, среднеквадратичное отклонение в измерении величины S3составляет 0,3 [99].
Приведенные данные получены по результатам лаборатор ных исследований. При штатном контроле корреляционная связь менее тесная [131], а в ряде случаев ее вообще может не быть. Это иллюстрируется рис. 8.41, на котором приведены результаты измерения реальных дефектов сварных швов роторов турбин в сопоставлении с данными вскрытия [24].
Рис. 8.41. Сопоставление условной протяженности АЬусл(о), условной высоты АН (б) дефектов сварных роторов турбин:
х- надрывы, о - трещины в зоне термического влияния [24]
8.5.Априорная оценка сравнительной
ДОСТОВЕРНОСТИ МЕТОДИК КОНТРОЛЯ
При сравнении эффективности различных акустических сис тем и методик, рекомендуемых для контроля конкретных типо размеров сварных соединений, необходимо априори оценить дос товерность каждой из них и выбрать оптимальную. Такую оценку желательно выразить в виде формализованного критерия, пред ставленного в простой числовой форме и базирующегося на