Как найти эквивалентную площадь

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 2,5×2 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.

Эквивалентной
площадью дефекта
называется площадь плоскодонного
отражателя, ориентированного
перпендикулярно акустической оси,
залегающего в специальном образце на
той же глубине и дающего такую же
амплитуду, что и выявленный дефект. При
этом необходимо, чтобы образец был
изготовлен из такого же материала, что
и контролируемое изделие, чтобы
поверхности контролируемого изделия
и образца были идентичны (или вносилась
соответствующая поправка на акустический
контакт).

Используются
два основных варианта измерения
эквивалентной площади:

а)
по тест-образцам с моделями дефектов;

б)
по специальным диаграммам.

Измерение
по диаграммам. Диаграммы
рассчитаны по формулам акустического
тракта и представляют собой графическую
зависимость между амплитудной
характеристикой дефекта, его координатой
и эквивалентной площадью (или размером).
АРД-диаграмма связывает: А – амплитуду,
Р – расстояние до дефекта, Д – эквивалентный
диаметр (диаметр эквивалентного
плоскодонного отражателя).

В
качестве эталонного отражателя и при
расчете, и при построении АРД-диаграмм
чаще всего используют бесконечную
плоскость. На практике часто применяют
обобщенные АРД-диаграммы, основным
отличием которых является их безразмерность,
для чего амплитуду N_д
заменяют на отношение амплитуд (N_д/N₀),
расстояние r
– на отношение r/r_бл,
эквивалентный размер b_э
– на b_э/а
(а
– полуразмер пьезопластины). Еще одной
особенностью АРД-диаграммы является
возможность учета затухания ультразвука
в контролируемом изделии (для этого
имеется специальная шкала со значениями
затухания).

Обобщенная
АРД-диаграмма

3 Основные параметры эхо-импульсного метода. Предельная и условная чувствительности. Эталонирование предельной чувствительности по ард-диаграммам. Основные параметры контроля

Предельная
чувствительность
характеризуется минимальной площадью
отверстия с плоским дном, ориентированным
перпендикулярно акустической оси
преобразователя, которое еще обнаруживается
на определенной глубине в изделии при
определенной настройке прибора.

Мерой
предельной чувствительности можно
считать минимальную эквивалентную
площадь дефекта, выявляемого на
определенной глубине в определенном
изделии при определенной настройке.

Условная
чувствительность
характеризуется размерами и глубиной
залегания выявляемых искусственных
отражателей, выполненных в образце из
материала с определенными акустическими
свойствами.

Условную
чувствительность измеряют максимальной
глубиной залегания выявляемого отражателя
или отношением (дБ) между данной настройкой
аппаратуры и настройкой, соответствующей
выявлению эталонного отражателя в
стандартном образце.

Эталонирование
предельной чувствительности

Настройка
на предельную чувствительность
представляет собой процедуру, обратную
определению эквивалентной площади.

Можно
использовать два способа настройки:

а)
по тест-образцам с моделями дефектов;

б)
по специально построенным диаграммам
(АРД и SKH-диаграммы).

Для
настройки по образцам необходимо:

• выбрать
  тест-образец с толщиной, соответствующей
  глубине выявляемых дефектов;

• озвучить
  в этом образце модель с размером S₀,
  соответствующим заданной величине S;

• небольшими
  смещениями добиться максимальной
  амплитуды эхосигнала от этой модели и
  установить органы управления прибора
  таким образом, чтобы его индикаторы
  срабатывали от данного уровня сигнала.

В
качестве модели можно использовать
плоскодонное отверстие (S_п =
S₀),
сегментный отражатель (S_п
= S₀)
и угловой отражатель. При использовании
углового отражателя (зарубки) S_п
= n_зS_з,
где S_з
– площадь углового отражателя; n_з
– коэффициент, зависящий от величины

(см. рис. 4.7).

При
контроле изделий небольшой толщины
значение S_п
часто настраивают,
используя угловые отражатели, выполненные
на верхней или нижней границах изделия
(рис. 5.4).

Настройка
чувствительности по образцам с угловыми
отражателями

Поскольку
предельная чувствительность определяется
минимальной эквивалентной площадью
выявляемого дефекта, при ее настройке
по АРД и SKH-диаграммам
должны быть использованы эталонные
отражатели в виде бокового цилиндрического
отражателя в стандартном образце СО-2
(для SKH-диаграмм)
и в виде бесконечной плоскости (для
АРД-диаграмм). Следует заметить, что
разработаны и используются для задач
контроля наклонным преобразователем
специальные АРД-диаграммы, построенные
относительно отражателя в СО-2.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Предложите, как улучшить StudyLib

(Для жалоб на нарушения авторских прав, используйте

другую форму
)