О чувствительности ультразвукового контроля листового проката



  Об авторах

 Гурвич Анатолий Константинович, Кириков Андрей Васильевич

 

 

 

Гурвич Анатолий Константи­нович 

Д-р техн. наук, профессор ПГУПС, вице-президент РОНКТД, III уро­вень по акустическому виду НК.

Кириков Андрей Васильевич 

Начальник департамента НК Компании «Нординкрафт» (Че­реповец), III уровень по акусти­ческому виду НК.

 

 

В порядке обсуждения предлагается

  • • ввести в число основных параметров эхо-метода УЗК листового проката эффективную площадь электроакусти­ческого преобразователя;
  • • в документацию на УЗК ввести ми­нимальный коэффициент отраже­ния несплошностей, подлежащих вы­явлению;
  • • в качестве основного опорного отра­жателя при настройке чувствительно­сти использовать донную поверхность контролируемого листа.

Вводные замечания

Листовой прокат - основной матери­ал, из которого изготовляются каркасы зданий и сооружений, автодорожные и железнодорожные мосты. При этом используются листы из углеродистой и низколегированной стали толщиной δ = 6 ÷ 40 мм. Качество листового прока­та предопределяет надежность конструк­ций. Контроль качества проводится, как правило, ультразвуковым эхо-методом в соответствии с действующими нор­мативными документами. Отече­ственные стандарты выгодно отличаются от зарубежных номенклатурой применя­емых методов УЗК и конкретизацией способов настройки чувствительности с учетом класса сплошности контролируе­мых листов. Предусматривается два способа настройки чувствительности по эхо-методу («Э»):

«А» — опорный отражатель - донная поверхность; чувствительность зада­ется числом N дБ, относительно первого донного (опорного) сигнала на бездефектном участке листа, в пределах значений которого эхо- сигнал признается принадлежащим искомой несплошности; условная запись - «А N Э»;

«D» — опорный отражатель - плоское дно отверстия диаметром d, мм, нор­мальное к акустической оси преоб­разователя; эхо-сигнал признается принадлежащим искомой несплош­ности, если его амплитуда равна или превышает амплитуду опорного эхо- сигнала от «плоскодонки»; условная запись – «D d Э».

Так, ГОСТ 22727 для листов класса сплошности 1 предусматривает способы «А16Э» и < D 5Э». Ручной, механизирован­ный и автоматизированный контроль ли­стов в соответствии с этим стандартом широко используется для обеспечения необходимого уровня качества листово­го проката.

Поводом для написания данной статьи послужил любопытный случай. Партия из 18 стальных листов толщиной 10 мм на одном из заводов была забракована установкой «Север-10» производства ком­пании «Нординкрафт» (частота колебаний f ≈1,6 МГц). На большей части листов были обнаружены обширные (единицы квадратных метров!) несплошности, предположительно расслоения. Дефекто- грамма одного из этих листов приведена на рис. 1. Заключение: 12 из 18 листов - безусловный брак!

Протокол УЗК листа № 7563 на установке «Север-10»: длина листа 12000 мм, ширина 3000 мм, толщина 10 мм; дата контроля 25.09.2003; результат контроля - БРАК

Рис. 1. Протокол УЗК листа № 7563 на установке «Север-10»: длина листа 12000 мм, ширина 3000 мм, толщина 10 мм; дата контроля 25.09.2003; результат контроля - БРАК

 Однако в ходе дублирующего кон­троля с помощью дефектоскопической тележки с дефектоскопом УД2-12 (f ≈ 2,5 МГц) ни одного квадратного сантиметра несплошности не было за­фиксировано. Заключение: все листы - безусловно годные!

Прибыв на место, один из авторов убе­дился в исправности обеих систем контро­ля. Измерительный модуль с электромаг­нитно-акустическими преобразователями (ЭМАП) установки «Север-10», специаль­но остановленный для демонстрации, как раз находился в зоне большой по площади несплошности. На мониторе, практически во всех каналах, наблюдались отчетли­вые эхо-сигналы, позволяющие уверенно локализовать предполагаемый дефект: несплошность по глубине располагалась в средней трети сечения листа. При этом дефектоскопом УД2-12 с раздельно-со­вмещенным ПЭП (чувствительность была настроена по плоскодонному отражате­лю диаметром 5 мм) эти несплошности не фиксировались. Более того, несплош­ность не регистрировалась системой АСД дефектоскопа даже при настройке по плоскодонному отражателю диаметром 3 мм! При этом на экране ЭЛТ можно бы­ло наблюдать эхо-сигнал от несплошности, амплитуда которого существенно «не дотя­гивала» до заданного уровня (порогового значения).

Налицо - принципиальное различие результатов контроля: обе системы бы­ли настроены в соответствии с первым классом ГОСТ 22 727-88 («Север-10» - по способу А16Э, УД2-12 - по спо­собу D5Э). Оба эти способа законны и равноправны, поэтому столь разный, кардинально разный результат, вы­звал недоумение. Неужели поперечные волны, возбуждаемые ЭМАП установки «Север», обеспечивают преимущество в чувствительности?

Автор спросил, нет ли в распоряжении дефектоскопистов завода другого раздельно-совмещенного ПЭП с большим размером пьезоэлементов. Такой пре­образователь (фирмы Крауткремер) на­шелся. Его диаметр визуально в два раза превышал диаметр преобразователя для УД2-12 (а стало быть, эффективная пло­щадь пьезоэлементов стала примерно в четыре раза больше). Дефектоскоп УД2-12 с этим «новым» ПЭП был вновь настроен по плоскодонному сверлению диаметром 5 мм; и ПЭП, будучи установленным на поверхность листа, немед­ленно «выдал» эхо-сигнал от дефекта, превышающий заданный (пороговый) уровень! Наконец-то!

Напрашивался вывод, что ни рабочая частота, ни тип применяемых упругих ко­лебаний не оказывают такого влияния на выявляемость реальных дефектов листового проката, как эффективная площадь электроакустического преоб­разователя, которая не регламентиро­вана как основной параметр контроля ни в одном из стандартов на УЗК листо­вого проката! Попробуем разобраться в причинах этого явления, которое впол­не отражает специфику УЗК листового проката.

Специфика УЗК листового проката

Из-за технологических особенностей производства листового проката боль­шая часть внутренних несплошностей имеет выраженную плоскую форму. В подавляющем большинстве случаев их плоскость параллельна плоскости про­ката. Поэтому дефекты при правильном подходе успешно выявляются с помощью упругих волн, возбуждаемых по нормали к поверхности листа.

Объектом поиска и последующего ана­лиза являются, как правило, дефекты в виде плоскостных протяженных несплош­ностей, площадь которых составляет от нескольких единиц до нескольких десятков и даже сотен квадратных сан­тиметров. Плоская форма большей части протяженных несплошностей различно­го происхождения породила в практике их обобщенное условное название - «расслоения» («laminations» - в терминах международных стандартов и норм). Коэффициент отражения упругих волн от «расслоений» принципиально может при­нимать любые значения от 0 до 1.

Приведенный в начале статьи факт свидетельствует о том, что при настройке чувствительности дефектоскопа по пло­скодонному отверстию (способ «D») в со­ответствии с действующими стандартами дефекты типа плоскостных протяженных несплошностей («расслоений») могут быть не зафиксированы. В отличие от компактных дефектов, протяженные дефекты полностью перекрывают уль­тразвуковой пучок и, как показали экспериментальные исследования, в ряде случаев слабо отражают упругие волны (коэффициент отражения Rn<1).

Предварительные экспериментальные иссле­дования по оценке отражающих характеристик протяженных дефектов проводились на образце с «расслоением», вырезанном из листа, забрако­ванного на заводе установкой «Север-10». В про­цессе эксперимента измерялись: на бездефект­ном участке - амплитуда донного сигнала U0; на участке с расслоением - амплитуды донного сигнала ид и эхо-сигнала от расслоения ир при использовании ПЭП (U 0п,U дп, U рп) на частоту 5 и

10 МГц и ЭМАП (U ,U дэ, U рэ ) на частоту 5 МГц. При этом длина продольной волны, излучаемой ПЭП на частоту 10 МГц, была близка к длине поперечной волны, излучаемой ЭМАП на ча­стоту 5 МГц.

Сопоставление амплитуд U 0п,U дп, U рп и амплитуд U 0э,U дэ, U рэ позволило заключить, что коэффициент отражения исследуемого «расслоения» по амплитуде слабо зависит от типа волны и частоты колебаний в диапазоне 5 - 10 МГц. На разных участках образца его значение составляло Rn ≈ 0,05 ÷ 0,3.

 Анализ акустического тракта при контроле эхо-методом

Контроль эхо-методом листов толщи­ной δ = 6 ÷  40 мм ведется раздельно- совмещенными ПЭП  или ЭМАП. В показаны возможность и пре­имущества применения совмещенных ПЭП вместо раздельно-совмещенных. Учитывая это, выполним анализ акусти­ческого тракта для совмещенных пря­мых ПЭП, пренебрегая для наглядности незначительным затуханием упругих колебаний в листе. Оценим длину ближней зоны преобразователей. Рас­смотрим для примера контроль листов толщиной δ преобразователями диа­метром 2а = 10 мм на частоту f = 5 МГц (при 5< 20 мм) и 2а = 20 мм на частоту f = 2,5 МГц (при δ > 20 мм). Преобразо­ватели возбуждают продольную (ПЭП, С = 5900 м/с) или сдвиговую (ЭМАП, Сt = 3260 м/с) волну.

При этом протяженность rб = а2 f /С ближней зоны в стали составляет для ПЭП соответственно 21 и 42 мм, а для ЭМАП - 38 и 76 мм. Видно, что искомые дефекты в листах лежат в ближней зо­не преобразователей. Тогда амплитуда эхо-сигнала от дефекта в листе без уче­та затухания упругой волны может быть оценена по выражению:

U ≈ k RdSd/Sa  (1)

где Rd, - коэффициент отражения упру­гой волны от дефекта; Sd - отражающая площадь дефекта; Sа - эффективная площадь преобразователя; k - коэф­фициент, лежащий в пределах от 1 до 4. В дальнейшем примем k = 1.

Заметим, что отражающая площадь компактного дефекта всегда меньше эффективной площади преобразовате­ля, т. е. Sdk<Sa, а отражающая площадь протяженного дефекта, полностью пере­крывающего ультразвуковой луч, равна эффективной площади преобразователя, т. е. Sdp = Sa.

В общем случае для обеспечения воспроизводимости результатов кон­троля при настройке чувствительности по способам «А» и «D» площадь преоб­разователя Sа целесообразно выбирать так, чтобы амплитуды эхо-сигналов от искомых компактного дефекта Udк пло­щадью Sdk< Sа, для которого R ≈1, и от «расслоения» площадью Sdp = Sа, для которого Rdp ≈ 0,1 ÷  0,3, были близки, т. е. чтобы U dкUdр. Данному условию удовлетворяет равенство, вытекающее из (1):

Sdk/Sa=Rdp∙Sa/Sa (2)

Из (2) следует соотношение для вы­бора эффективной площади преобразо­вателя:

Sa= Sdk /Rdp (3)

Для того, чтобы обеспечить результаты контроля листов при настройке чувстви­тельности дефектоскопа в соответствии с ГОСТ 22727 по способам А N Э и D d Э, площадь преобразователя должна иметь вполне конкретное значение. Принимая за площадь искомого компактного дефек­та площадь плоскодонного отверстия диаметром 5 мм (Sdk = 19,6 мм2) и прини­мая значение коэффициента отражения «расслоения» Rdp = 0,1, из (3) находим: Sa ≈ 196 мм2 и 2а ≈ 16 мм.

При диаметре преобразователя 2а ≈ 10 мм амплитуда эхо-сигнала Udp от «расслоения» в нашем примере была бы в (16/10)2 = 2,56 раз (приблизительно на 8 дБ) меньше, чем амплитуда эхо- сигнала при диаметре 2а ≈ 16 мм, что и объясняет природу отмеченного выше несовпадения результатов НК листов.

 Осциллограммы при прозвучивании образца листа при распо­ложении ЭМАП размером 8 х 8 мм: а - над плоскодонным отверстием диаметром 5 мм; б - над реальным «расслоением»

Рис. 2. Осциллограммы при прозвучивании образца листа при распо­ложении ЭМАП размером 8 х 8 мм: а - над плоскодонным отверстием диаметром 5 мм; б - над реальным «расслоением»

 То же, что на рис. 2, но для ЭМАП размером 12 х 12 мм

Рис. 3. То же, что на рис. 2, но для ЭМАП размером 12 х 12 мм

 На рис. 2 и 3 иллюстрируется пример использования преобразователей с двумя различными размерами активной зоны при обнаружении реального рас­слоения. В обоих случаях аппаратура настраивалась по плоскодонному свер­лению диаметром 5 мм (рис. 2а и 3а, эхо-сигнал Апл). При этом ЭМАП раз­мером 8 х 8 мм (Sа = 64 мм2) уверенно «пропускает» «расслоение» (рис. 2б, эхо-сигнал Адеф), а ЭМАП размером 12 х 12 мм (Sа = 144 мм2) столь же уве­ренно его обнаруживает (рис. 3б, эхо- сигнал А деф)!

При использовании раздельно-совме­щенных преобразователей необходимо учитывать ряд других факторов, но в це­лом и здесь должен обязательно прини­маться во внимание принцип: размеры и конструкция преобразователя предо­пределяют достоверность результатов УЗК листового проката.

Заключительные замечания

Естественно, изложенные исследо­вания и предпосылки следует рассма­тривать как предварительные. Тем не менее, они позволяют заключить, что для повышения надежности обнаруже­ния как протяженных, так и компактных дефектов, а также для обеспечения воспроизводимости результатов УЗК листо­вого проката целесообразно:

1. Ввести в число основных параметров контроля упругими волнами эффек­тивную площадь (размеры) преобразователя, выбирая их с учетом условия (2).

2.При контроле эхо-методом продоль­ными или сдвиговыми волнами, из­лучаемыми прямыми совмещенными (или РС) преобразователями, пере­йти на настройку чувствительности, используя в качестве опорного от­ражателя поверхность листа (донную поверхность) и, при необходимости, - АРД-диаграммы. Применение пло­ского дна отверстий при оценке чув­ствительности сохранить для научных и прикладных исследований и, при необходимости, для НК толстолисто­вого проката.

3.Ввести в нормативные документы на ультразвуковой контроль листо­вого проката минимальное значение коэффициента отражения несплошностей (дефектов), подлежащих выяв­лению при заданной чувствительности контроля.

 Участок разрушенного по расслоению трубопровода 

Рис. 4. Участок разрушенного по расслоению трубопровода

 

Благодарим журнал "В Мире НК" за любезно предоставленную информацию http://www.ndtworld.com

Возврат к списку