Зарубка и боковое цилиндрическое отверстие

Зарубка и боковое цилиндрическое отверстие

Мелешко Н.В., НУЦ «КАСКАД» МГУПИ
Петров А.А., ОАО «РосЭК»

Аннотация
В статье ставится вопрос о переходе при настройке ультразвуковых дефектоскопов от плоских угловых отражателей к боковым цилиндрическим отверстиям. Приведены теоретические расчеты и представлены результаты экспериментов.

В настоящее время в каждой отрасли промышленности действуют свои нормативно-технические документы по неразрушающему контролю, указывающие размер допустимой несплошности. При ультразвуковом контроле чаще всего критерием «брака» является превышение амплитудой сигнала от найденной несплошности уровня, который определяется сигналом от плоского углового отражателя (зарубки). Уровень может называться «браковочным» [3, 4], «первым браковочным» [5], в некоторых документах для его задания используют поправочные коэффициенты [6]. Для измерения условной протяженности используют «контрольные» [3,4], «вторые браковочные» [5], «поисковые» уровни.
Особо следует отметить, что нормы допустимости дефектов обычно являются не расчетными, а назначаются волевым решением и поэтому в различных странах, отраслях и фирмах нормы по одним и тем же соединениям различаются до десяти раз и более (рис. 1).


Рисунок 1 Зависимость Sэкв от толщины сварного соединения в соответствии с различными нормативными документами

В одних документах регламентировано проводить контроль для каждого диапазона толщин пьезоэлектрическими преобразователями с определенным углом ввода и частотой [4, 7], в других документах [3] разрешается специалисту самому выбрать из предложенного диапазона угол ввода и частоту преобразователя. Существуют документы [5], где не указаны угол ввода и частота преобразователя для проведения контроля.
У специалистов, задачей которых стоит проконтролировать изделие в соответствие с зарубежными нормами, возникает вопрос, можно ли подобрать зарубку, которая соответствует боковому цилиндрическому отверстию диаметром 3 мм, наиболее распространенному в качестве задания уровней контроля по зарубежным стандартам [8].
В литературе по ультразвуковому контролю [1, 2] приведены формулы акустического тракта для бокового цилиндрического отверстия и для плоскодонного отражателя, к которому можно отнести зарубку с введением поправочного коэффициента [9].
Формулы для расчета акустического тракта наклонного совмещенного ПЭП с круглым пьезоэлементом следующие:


где:
Ad – амплитуда принятого преобразователем сигнала от плоскодонного отражателя;
Ac – амплитуда принятого преобразователей сигнала от бокового цилиндрического отверстия;
A0 – амплитуда излученного сигнала;
D – коэффициент прохождения через границу раздела;
S – площадь излучателя;
s – площадь диска;
α – угол ввода;
λ – длина волны;
r – расстояние между ПЭП и отражателем;
β – угол наклона призмы;
b – радиус цилиндрического отверстия;
δ – коэффициент затухания.
Эквивалентная площадь бокового цилиндрического отверстия после преобразований равна:

С увеличением глубины залегания бокового цилиндрического отражателя амплитуда меняется по закону

с увеличением залегания плоскодонного отражателя (диска, зарубки) амплитуда меняется по закону
.
Используя приведенные формулы, получим кривые, по которым можно определить на требуемом расстоянии по лучу эквивалентную площадь, соответствующую боковому цилиндрическому отражателю диаметром 3 мм (рис. 2).

Рисунок 2 Зависимость Sэкв для цилиндрического отражателя диаметром 3 мм

На рис. 3 и 4 приведены графики, по которым можно определить на требуемой глубине эквивалентную площадь и размеры зарубки, соответствующие боковому цилиндрическому отражателю диаметром 3 мм в зависимости от используемого угла ввода: 60°, 65° или 70°.

Рисунок 3 Зависимость площади плоскодонного отражателя (Sэкв) для цилиндрического отверстия диаметром 3 мм

Рисунок 4 Зависимость площади зарубки для цилиндрического отверстия диаметром 3 мм
Из теоретических расчетов следует, что с увеличением расстояния по лучу сигнал от бокового цилиндрического отражателя должен уменьшаться слабее, нежели от зарубки, т.е. для получения одинакового сигнала от бокового цилиндрического отражателя и от зарубки с увеличением расстояния по лучу, размеры зарубки следует увеличивать. Необходимо проверить, наблюдается ли подобная зависимость на практике.
Исследования проводились на ультразвуковом дефектоскопе А1212 МАСТЕР с преобразователями П121-5-65 и П121-5-70 с диаметрами пьезоэлементов 6 мм. Использованы 46 стандартных образцов предприятий толщинами от 6 до 20 мм с зарубками размерами от 1,5 ×1,4 мм до 4×3,5 мм. Получены амплитуды сигналов на прямом и однократно отраженном лучах. Для сравнения норм браковки по российским нормативным документам с зарубежными зафиксированы сигналы от цилиндрического отверстия диаметром 3 мм на глубинах от 4 до 25 мм. Для исключения влияния указанного в [9] коэффициента N получены амплитуды от плоскодонных отражателей диаметрами 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 мм.

где:
N – размер ближней зоны;
a – радиус пьезоэлемента;
λ – длина волны;
α – угол ввода;
β – угол наклона призмы.


Следовательно, при угле 65° на глубине более 4 мм и при угле 70° на глубине более 3 мм ближняя зона закончилась, и измерения осуществляем в дальней зоне.
Каждая кривая на рис. 5 (угол ввода 65°) и рис. 6 (угол ввода 70°) соответствует значению амплитуд, полученных от плоскодонных отверстий (Sп), от зарубок с введением поправочного коэффициента N из [9] (Sэкв по зарубке) и от цилиндрического отверстия диаметром 3 мм.

Рисунок 5 Амплитуды сигналов для различных типов отражателей полученные преобразователем с углом ввода 65°

Рисунок 6 Амплитуды сигналов для различных типов отражателей полученные преобразователем с углом ввода 70°
Вывод, сделанный по результатам теоретических предположений, на практике однозначно не подтвердился. На толщинах от 10 до 20 мм кривая, построенная по сигналам от бокового цилиндрического отражателя, по амплитуде приближена к кривой, полученной по зарубкам с Sэкв=1,5÷2,0 мм. Чем больше расстояние, тем требуется меньшего размера зарубка для настройки в соответствии с требованиями [8]. Одним из объяснений несовпадения экспериментов и теоретических расчетов является то, что формулы акустического тракта верны при условии, если размер отражателя много меньше диаметра пьезоэлемента преобразователя и/или на амплитуду сигнала оказывает сильное влияние дифракция на отверстии диаметром 3 мм. Также при сравнении амплитуд сигналов от плоскодонных отражателей и зарубок с аналогичной эквивалентной площадью выявилось несоответствие: амплитуда сигнала от плоскодонного отражателя немного больше, чем амплитуда от зарубки с соответствующей эквивалентной площадью.
Изготовление зарубок с точными размерами достаточно сложная операция. Безусловно, они хорошо имитирую непровары в односторонних стыковых сварных соединениях. По сигналам, полученными на прямом и однократно отраженным лучами, часто настраивают зону контроля, ВРЧ. Но, возможно, для задания браковочного уровня удобнее использовать более технологичное боковое цилиндрическое отверстие? И еще одно немаловажное соображение говорит в пользу бокового цилиндрического отражателя – внедрение в практику неразрушающего контроля дефектоскопов, работающих с антенными решетками. При традиционном использовании зарубки для получения браковочного уровня наблюдаем два пятна – одно, образованное сигналами от угла, другое – сигналами от конца зарубки (рис. 7).

Рисунок 7 Изображение на приборе А1550 IntroVisor зарубки размером 2,5x2 мм на глубине 12 мм

В связи с большим количеством преобразователей с разными размерами и характеристиками требуется проведение серьезных дополнительных исследований для получения связи сигналов от плоскодонных отражателей, зарубок и цилиндрических отверстий.

Литература
1. Ермолов И.Н., Вопилкин A.X., Бадалян В.Г. Расчеты в ультразвуковой дефектоскопии (краткий справочник).- М.: «ЭХО+», 2000. - 108 с.
2. Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении.- Учебное пособие СПб. - Изд-во Радиовионика, 1995. - 336 с.
3. РД 34.17.302-97 (ОП 501 ЦД-97) Котлы паровые и водогрейные. Трубопроводы пара и горячей воды, сосуды. Сварные соединения. Контроль качества. Ультразвуковой контроль. Основные положения.
4. РД РОСЭК-001-96 Машины грузоподъемные. Конструкции металлические. Контроля ультразвуковой. Основные положения.
5. МДС 53-1.2001 Рекомендации по монтажу стальных строительных конструкций (к СНиП 3.03.01-87).
6. СТО Газпром 2-2.4-083-2006 Инструкция по неразрушающим методам контроля качества сварных соединений при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов.
7. РД-08.00-60.30.00-КТН-046-1-05 Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных нефтепроводов.
8. EVS-EN ISO 11666:2011 Неразрушающие испытания сварных швов – Ультразвуковое испытание – Приемочные уровни (ISO 11666:2010).
9. ГОСТ 14782-86 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.
10. ВСН 012-88 Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Контроль качества и приемка работ.

Запись опубликована в рубрике методики контроля, статьи с метками , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

9 комментариев на «Зарубка и боковое цилиндрическое отверстие»

  1. Виктор говорит:

    Отражающая способность зарубки и соответственно её эквивалентная площадь зависят от угла падения на неё ультразвукового луча, формы и размеров граней зарубки. Трудно найти зарубку с абсолютно ровной отражающей гранью. Я считаю, что для более точной настройки браковочного уровня лучше использовать боковое сверление, отражающая эквивалентная площадь которого практически не зависит от вышеупомянутых факторов, так как изготовление таких отражателей более технологично.

  2. Не спорю, понятно, что боковое цилиндрическое отверстие более технологично (просто изготовить, воспроизвести, использовать для различных видов преобразователей) в сравнении с зарубкой.

    Также можно добавить:
    1. В EN-ISO принято использовать для настройки опорного уровня 3-миллиметровое боковое цилиндрическое отверстие.
    2. При работе с дефектоскопами с фазированными антенными решетками настройка и калибровка по углам осуществляется по цилиндрическим отверстиям.

    Но есть и минусы...
    1. При поиске положения преобразователя, которое соответствует максимуму эхо-сигналу, можно найти два максимума. Не факт, что выберите тот, который нужен 🙂
    2. При использовании отверстия возникают волны огибания (на экране дефектоскопа можно наблюдать эхо-сигналы, особенно красиво на дефектоскопах с ФАРами).
    3. В зависимости от размера отверстия будут различные моменты по дифракции (соотношение амплитуд отраженных и дифрагированных сигналов будут отличаться).
    4. Уменьшаться амплитуда при отражении будет по разным законам...если вспомните формулы акустического тракта...Если принимать во внимание, что ищем и оцениваем не только протяженные несплошности...

    Отражатель должен хоть как-то иммитировать реальные дефекты. Зарубка великолепно иммитирует непровар в односторонних сварных соединениях. Причем даже непротяженный. А что иммитирует боковое цилиндрическое отверстие? Пору? Протяженную? Или его просто воспринимать как некий уровень, от которого нужно отталкиваться? Как, впрочем, сделано в вышеупомянутых EN-ISO...

    Мне кажется, отражатель должен быть:
    1. Непротяженный
    2. Технологичный
    3. Хоть что-то иммитирующий
    4. Давать какие-нибудь преимущества при работе с дефектоскопами с ФАР

    Возможно, вертикальное сверление подойдет?
    1. Непротяженное
    2. Технологичное
    3. Иммитирует непровары и трещины
    4. Дает возможность проводить двухпараметровую оценку дефекта при контроле дефектоскопами с фазированными антенными решетками - по амплитуде и по размеру

  3. Александр говорит:

    Какие все умные! Так по какой формуле первести сигнал от зарубки в сигнал от плоскодонки? Help!

    • При чем здесь формула? Есть график в ГОСТе 14782-86 - зависимость коэффициента N от угла ввода (вернее, от 90-альфа).
      Например, в НТД задана эквивалентная площадь, требуется найти размер зарубки.
      Делите эквивалентную площадь на коэффициент N - получаете площадь зарубки.
      Например, задан угол ввода 65 градусов, эквивалентная площадь 2,5 кв.мм. По графику находим N=0,5 - площадь зарубки 2,5/0,5=5,0 кв.мм. Следовательно, размер зарубки 2,5x2,0 мм. И умножаете на коэффициент, если задан размер зарубки, а требуется найти эквивалентную площадь (площадь плоскодонки).

  4. Сергей говорит:

    У меня следующий вопрос - есть СОПы с зарубками для 65 - 70 градусных датчиков. необходимо настроить 45 градусный датчик. Как это сделать на данных СОПах? Запутался в формулах. На данных СОПах площадь зарубок в 3,5 раза больше требуемых для 45 градусного.

    • Пересчитываете размеры зарубок в эквивалентную площадь. По формуле 20lg(A1/A2) получаете поправочный коэффициент в дБ.
      Например, есть зарубка 2x1,5 мм. Угол ввода, указанный в НТД -65 градусов. Есть ПЭП на 45 градусов.
      Вначале было бы неплохо геометрически оценить, сможете ли Вы ПЭПом с таким углом ввода прозвучить на прямом луче хотя бы треть шва (лучше половину).
      Затем:
      N=0,5 для угла ввода 65 градусов
      N=1,75 для угла ввода 45 градусов
      Sэкв1=2*1,5*0,5=1,5 кв.мм для 65 градусов
      Sэкв2=2*1,5*1,75=5,25 кв.мм для 45 градусов
      20lg(Sэкв2/Sэкв1)=20lg(5,25/1,5)=3,5 дБ
      Следовательно, если Вы возьмете ПЭП на 45 градусов и настроитесь на зарубку 2x1,5 мм, то будете контролировать на меньшей чувствительности (на 3,5 дБ). Для правильно настройки необходимо добавить 3,5 дБ.

  5. Александр говорит:

    У меня небольшой опыт работы с УЗК (атомка), и вот мне попался на руки опросник, большинство вопросов я осилил, но по некоторым есть трудности.
    Помогите, с ответами по возможностью с аргументацией.
    (свои версии имею, но оставлю при себе, дабы не смущать)!

    1) Ультразвук может быть сфокусирован:
    а) искривленным элементом;
    б) искривленным отражателем;
    в) линзой;
    г) фазированной решеткой;
    д) всего вышеперечисленного.

    2) Свойства среды, через которую проходит ультразвук, определяет:
    а) сопротивление;
    б) амплитуда;
    в) частота;
    г) период.

    3) В каких случаях можно контролировать изделие эхо-методом импульсным дефектоскопом, не имеющим развертки (выбрать самый точный ответ):
    а) если донная поверхность наклонена к поверхности ввода;
    б) если появляющиеся эхо-сигналы могут быть только отраженными от дефектов;
    в) если дефекты полностью экранируют донный сигнал;
    г) если донный сигнал не изменяется по амплитуде при сканировании.

    4) Диаметр бокового сверления в стандартном образце, применяемом для настройки чувствительности, должен быть достаточно большим, чтобы избежать:
    а) большой мертвой зоны;
    б) малых значений амплитуд сигналов;
    в) зависимости угла от глубины залегания оражателя;
    г) большой дифракции и наложения волн обегания и соскальзывания на прямо отраженный импульс.

    • Иван Мелешко Иван Мелешко говорит:

      Я только четвертый пункт прокомментирую, с остальными лучше к Наталии.
      а - мертвая зона за сверлением в эталонном образце нас вообще не интересует. Тем более, что она с увеличением диаметра будет увеличиваться.
      б - мы настраиваем чувствительность, так что в любом случае уровень сигнала от сверления будет пересчитан под требуемый браковочный уровень.
      в - зависимость угла от глубины отражателя с диаметром напрямую вообще не связана.
      г - а вот дифракция на амплитуду как раз влияет, и чем меньше диаметр, тем сильнее ее проявление.

    • По п.4. Согласна с Иваном. Мертвая зона здесь ни при чем, она просто должна быть не более 3-х мм, про малые значения непонятны, насколько малые. Что касается глубины залегания отражателя. Вопрос интересный. Как известно, с увеличением глубины залегания отражателя угол ввода уменьшается. Но в данном случае мы боковое цилиндрическое отверстие используем только для получения некоего браковочного уровня.
      По п.3. Видимо, правильный ответ - б), если используемый метод - эхо-импульсный. Если рассматривать остальные ответы, то это характеристики эхо-зеркального метода.
      По п.2. Сформулируем вопрос более корректно: "На какой параметр влияют акустические свойства среды". Как мы помним, к акустическим свойствам сред относят скорость, акустическое сопротивление и коэффициент затухания. Импеданс (акустическое сопротивление) - произведение плотности на скорость. Следовательно, акустическое свойство (скорость) влияет на другое акустическое свойство (сопротивление). Далее. Коэффициент затухания будет влиять на амплитуду. Возможно, авторы имели в виду нечто иное.
      По п.1. Ответ вероятно будет "всего вышеперечисленным". Точно фокусировку можно обеспечить ФАРом, линзой и криволинейной пластиной (видимо, ее авторы имели в виду под определением "искривленным элементом"). И если рассматривать поле "излучения-приема", а не только "излучения", то под "искривленным отражателем" можно рассматривать вторичный излучающий "искривленный элемент".

Добавить комментарий