Материал: технология 2008-2

8.5. Схемы прозвучивания

При выборе схем прозвучивания следует стремиться к тому, что­бы обеспечить прохождение УЗ лучей перпендикулярно к направле­нию возможного распространения дефектов, характерных для данного изделия или представляющих для него наибольшую опасность. Поэ­тому схемы контроля выбирают в зависимости от способа производ­ства контролируемого объекта. Рекомендуемые схемы прозвучивания приводятся в методических документах на ультразвуковой контроль соответствующих видов продукции. Рассмотрим основные схемы прозву­чивания, применяемые при УЗ контроле различных объектов.

8.5.1. Листовой прокат

В листовом прокате несплошности, как правило, расположены в плоскости, параллельной верхней и нижней поверхностям листа, и вытянуты вдоль направления прокатки. Поэтому на листовом прока­те толщиной более 6 мм обычно ограничиваются контролем прямым совмещенным (или PC) ПЭП, осуществляя сканирование перпендикулярно направ­лению прокатки (рис. 8.24). Кроме того, несплошности преимущественно располагаются в средней по толщине части листа. Это одна из причин, по которой на листах обычно не требуют припуск на мертвую зону при УЗ контроле.

Рис. 8.24. Схема прозвучива­ния листового проката

Рис. 8.25. Выявление трещин, идущих от верхней (а) или нижней (б) поверхностей листа

В тех случаях, когда имеется вероятность возникновения тре­щин, идущих от поверхностей листа (рис. 8.25), целесообразно ввес­ти контроль наклонным ПЭП с углом ввода 45±5.

Рис. 8.26. Контроль листов наклонным ПЭП в четырех (а) и в восьми (б) направлениях

Если неизвестна возможная ориентация трещин, обычно огра­ничиваются контролем в четырех направлениях, а для наиболее ответ­ственных случаев может быть организован контроль в восьми направ­лениях (рис. 8.26). Полный объем контроля обеспечивают прозвучиванием как прямым, так и однократно отраженным лучами.

8.5.2. Поковки

При выборе схемы прозвучивания поковок исходят из того, что дефекты в них могут иметь любую пространственную ориентацию. Поэ­тому основным принципом при УЗ контроле поковок является прозвучивание каждого элемента объема в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Это условие легко выполнить, если изделие имеет фор­му параллелепипеда с соотношением двух любых сторон не более m,

(8.18)

где а, мм - радиус пьезоэлемента;

f, МГц - частота ультразвука;

с, м/с - скорость продольных УЗ волн в данном материале.

В таком случае УЗ контроль прямым или PC ПЭП с трех взаимно перпендикулярных граней обеспечивает выполнение поставленного требования. В случаях же изделий цилиндрической формы или параллелепипедов с соотношением сторон более m, направления, нецеле­сообразные для УЗ контроля прямым ПЭП, восполняют наклонным ПЭП. Применяемые для такого контроля углы ввода обычно находятся в пре­делах 35-70. Контроль цилиндрических заготовок наклонным ПЭП в направлении, перпен­дикулярном образующей, называют хордовым прозвучиванием При хордовом прозвучивании полых цилиндрических заготовок обыч­но используют углы ввода  = (40 ± 5) .

Если при этом толщина стенки

(8.19)

(где D_н - наружный диаметр цилиндра), в заготовке образует­ся зона непрозвучиваемости, прилегающая к внутренней поверх­ности (рис. 8.27). В таком случае не будут выявлены дефекты типа радиальных трещин. Типовые наклонные преобразователи обычно имеют минимальный угол ввода поперечной волны в сталь  = 37 - 40. Для них зона непрозвучиваемости в полых цилиндрах образуется уже при H/D_н > 0,2. Для проведения хордового прозвучивания этой зоны изготавливают специализированные преобразователи с такими углами  < 37, чтобы обеспечивалось прохождение пучка продоль­ных или поперечных волн в направлении, близком к касательной к внут­ренней цилиндрической поверхности, или пучка поперечных волн, па­дающего на нее под углом (45±5).

Рис. 8.27. Образование зоны непро­звучиваемости при хордовом контроле полого цилиндра.

1- зона непрозвучиваемости; 2- радиальный дефект

Для хордового прозвучивания сплошных цилиндров также ис­пользуют угол ввода  = (40±5)°. Зона непрозвучиваемости вблизи оси заготовки здесь не имеет такого значения, как для полых цилинд­ров, поскольку возможные дефекты, как правило, начинаются в центральной зоне цилиндра и будут надежно выявлены прямым ПЭП.

В случае контроля цилиндрических изделий без припуска сле­дует обеспечить прозвучивание подповерхностной зоны наклонным лучом, падающим на поверхность со стороны металла (рис. 8.28). Для сплошных цилиндров при этом должна быть обеспечена требуемая чувствительность на конце хорды.

Рис. 8.28. Схемы выявления подповерхностных дефектов при контроле кованых заготовок без припуска: а - контроль полого цилиндра вдоль образующей; б - хордовое прозвучивание полого цилиндра; в - хордовое прозвучивание сплошного цилиндра

Рис. 8.29. Схемы прозвучивания поковок простой геометрической формы.

П - прямой ПЭП, Н - наклонный ПЭП. Цифры обозначают номера направлений прозвучивания

Схемы прозвучивания поковок простой геометрической формы приведены на рис. 8.29. В поковках более сложной конфигурации обыч­но можно выделить участки с простейшей геометрической формой, которые прозвучивают по схемам рис. 8.29.

Схема прозвучивания труб аналогична схеме контроля кованых тонкостенных полых цилиндров.

Литые заготовки с точки зрения их УЗ контроля отличаются от поковок большей сложностью формы. Однако при разработке схе­мы контроля литой заготовки также необходимо стремиться обес­печить прозвучивание каждого элемента объема с трех взаимно-перпендикулярных направлений.

При контроле листового проката, поковок и литья там, где это возможно, наряду с эхоимпульсным используют зеркально-теневой метод контроля.

8.5.3. Сварные швы

При выборе схемы прозвучивания сварных соединений в пер­вую очередь исходят из возможности полноты прозвучивания попере­чного сечения сварного соединения осью УЗ пучка и вероятности выявления наиболее опасных плоскостных дефектов (трещин, непроваров, несплавлений). Кроме того, обычно ставят условие контроля корня сварного шва прямым лучом. Помимо наплавленного металла и зоны сплавления УЗ контролю подвергают также околошовную зону. В энерге­тике принята следующая величина этой зоны:

а) для сварных соединений, выполненных дуговой сваркой:

- при номинальной толщине сваренных элементов до 5 мм вклю­чительно - не менее 5 мм;

- при номинальной толщине сваренных деталей свыше 5 до 20 мм включительно - не менее их номинальной толщины;

- при номинальной толщине сваренных деталей свыше 20 мм - 20 мм;

б) для сварных соединений, выполненных электрошлаковой сваркой: - при номинальной толщине свариваемых элементов до 100 мм включительно - не менее 50 мм;

- при номинальной толщине сваренных деталей свыше 100 мм не менее (0,25Н + 25 мм), где Н, мм - номинальная толщина сваренных деталей.

Полнота прозвучивания зависит от типа сварного соединения, его толщины, конфигурации поверхностей контроля и противоположных поверхностей, наличия конструктивных элементов, ограничивающих перемещение ПЭП.

В общем случае прозвучивание всего сечения сварного шва акустической осью возможно при условии

, (8.20)

где b₁, b₂ – ширина верхнего и нижнего валиков усиления соответственно:

₁, ₂ – углы ввода при контроле прямым и однократно отраженным лучами соответственно; n – стрела преобразователя;

w – расстояние от края нижнего валика до точки пересечения акустической оси с нижней поверхностью изделия (рис. 8.30).

Рис. 8.30. Схема к оценке возможности прозвучивания сечения шва акустической осью ПЭП

Виды наиболее опасных дефектов, их пространственная ориен­тация и место расположения зависят от конструкции сварного соеди­нения, применяемых материалов, технологии сварки, вида термообработки. Поэтому схема прозвучивания должна разрабатываться на основе статистических данных распределения несплошностей, полученных металлографическими исследованиями сварных проб, либо путем анализа накопленного опыта дефектоскопии аналогичных конструкций. Так, например, при изготовлении сосудов с толщиной стенки более 40 мм статистическим анализом реальных плоскостных дефектов установлено, что продольные трещины и несплавления располагаются преимущественно в средней по толщине части шва и отклоняются от оси поперечного сечения не больше, чем на 15°, а от продольной оси в горизонтальной плоскости не более, чем на 10°. Ориентация несплавлений по кромкам определяется конфигурацией разделки сварного соединения. Некоторые отклонения в режиме сварки, например, увеличение скорости, проводят к образованию трещин, ориентированных в горизонтальной плоскости под углом около 45° к оси шва.

Наиболее опасны трещины, ориентированные поперек шва, то есть перпендикулярно растягивающим напряжениям. Они располагаются в вертикальной плоскости обычно в наплавленном металле и зоне термического влияния. Наиболее часто поперечные трещины возникают в корневой зоне швов, выполненных двусторонней сваркой без подогрева. Они имеют слабошероховатую поверхность, что затрудняет их обнаружение.

Ниже рассматриваются основные схемы прозвучивания свар­ных соединений энергетического оборудования.

Стыковые сварные соединения толщиной до 20 мм обычно контролируют с одной поверхности прямым и однократно отраженным лучом наклонным ПЭП с углом ввода 65°-70° (рис. 8.31, а), расположенным перпендикулярно оси шва. Иногда для тонкостенных швов может быть применен контроль многократно отраженным лучом (рис. 8.31, б). В этом случае из-за переотражения УЗ волны от стенок и дефекта, трещины по существу становятся ненаправленными отражателями, и вероятность их обнаружения повышается.

Для выявления поперечных дефектов стыковые сварные соединения контролируют путем перемещения наклонного ПЭП вдоль оси сварного шва (рис. 8.31, е). При отсутствии усиления ПЭП перемещают непосредственно по поверхности шва. Если шов имеет усиление, наклонный ПЭП перемещают под небольшим углом (10-30)° к продольной оси шва (рис. 8.31, ж). Контроль выполняют в двух направлениях - с разворотом ПЭП на 180° - пря­мым и однократно отраженным лучом.

Рис. 8.31. Схемы прозвучивания стыковых сварных соединений:

а, б - стыковые сварные соединения толщиной до 20 мм; в, г - стыковые сварные соединения толщиной 20 мм и более; д - контроль по схеме "тандем"; е, ж - контроль для выявления

поперечных дефектов; з - контроль по способу "стредл".

Примечание: контроль с левой стороны на рис. 8.31 а, б, в, г выпол­няют аналогично и на данной схеме он не показан

Стыковые сварные соединения толщиной от 20 до 60 мм кон­тролируют либо с двух поверхностей прямым лучом, либо с одной - прямым и однократно отраженным лучом (рис. 8.31, в, г). Для повышения эффективнос­ти выявления дефектов в приповерхностной зоне может быть допол­нительно введен контроль однократно или двукратно отраженным лучами. Прямой луч вводят под углом 65°-70°, а однократно отра­женный - под углом 45° - 50°.

Контроль на поперечные дефекты производят наклонным ПЭП с углом ввода (45±5)° по схемам рис. 8.31, е, ж прямым лучом, если скани­рование происходит по двум поверхностям, или прямым и однократно от­раженным лучами, если сканирование происходит по одной поверхности.

Стыковые сварные соединения толщиной свыше 60 мм контро­лируют с четырех сторон с двух поверхностей наклонными ПЭП с дву­мя углами ввода: приповерхностную зону под углом 65° - 70°, все сече­ние - под углом (45±5)°.

Для повышения эффективности выявления вертикально ориентированных дефектов рекомендуют применение схемы тандем (рис. 8.31, д). Используют однотипные наклонные ПЭП с углами ввода (45±5)°, включенные по раздельной схеме и расположенные друг за другом на одной линии. Преобразователи закрепляют в конструкции, представляющей собой линейку с возможностью изменения и фиксирования расстояния между преобразователями. Из рис. 8.31, д видно, что при фиксированном расстоянии (базе) "В" между преобра­зователями, контролируется достаточно тонкий слой изделий на оп­ределенной глубине. Поэтому схему тандем применяют либо для кон­троля одного тонкого слоя сварного соединения (например, корня свар­ного шва), либо контролируют сварной шов в несколько проходов, последовательно изменяя базу "В" для перекрытия необходимого диапазона по толщине. При этом границу зоны определяют падением чувствительности на 6 дБ относительно акустической оси. При использовании схемы тандем приповерхностные области сварного соединения толщиной около 0,1 толщины шва являются мертвой зоной и не контролируются.

Как видно из рис. 8.31, д, при использовании схемы тандем требу­ется зона сканирования значительно большая, чем при обычном кон­троле наклонным ПЭП прямым лучом. Если зона сканирования на изделии ограничена конструктивными элементами, и схему тандем в классическом варианте применить невозможно, для выявления верти­кальных дефектов можно применить модифицированный способ тан­дем с трансформацией волн. Сущность способа заключается в том (рис. 8.32), что излучатель И возбуждает продольную волну, которая, отразившись от донной поверхности изделия, попадает на дефект. На дефекте при отражении происходит трансформация продольной волны в поперечную, которая и попадает на приемную часть П преобразова­теля. В литературе этот способ называют LLT-способ (по первым бук­вам немецких слов L-продольная, Т - поперечная).

Рис. 8.32. Применение модифи­цированного способа тандем для выявления несплошностей с вертикальной ориентацией. L - продольная волна; Т - поперечная волна; д - дефект; И -излучающая часть ПЭП; П - приемная часть ПЭП

Контроль на поперечные дефекты выполняют наклонным ПЭП с углом ввода (45±5)° с двух сторон шва по схемам рис. 8.31, е. Учи­тывая, что поперечные трещины, как правило, расположены в верти­кальной плоскости, эффективность их выявления повышается при ис­пользовании различных вариантов эхо-зеркального метода.

Так, швы со снятым усилением контролируют способом "тан­дем". Швы толщиной 20-100 мм с усилением контролируют по способу "стредл" (рис. 8.31, з). При этом способе наклонные ПЭП с углами ввода 62°-73° расположены по разные стороны шва. Звуковой пучок от излучателя И падает на дефект "Т", отражается от него, отражается от донной поверхности и регистрируется приемным преобразователем П.

Наиболее широко применяемые схемы прозвучивания других типов сварных соединений приведены на рис. 8.33. Углы ввода наклон­ных ПЭП при контроле со стороны притыкаемого элемента выбирают в зависимости от его толщины так же, как и для стыковых соединений. При контроле со стороны основного элемента обычно применяют угол ввода (45±5)°. Преобразователи головных волн (ПГВ), указанные на схемах, обычно применяют как дополнительное средство контроля для выявления подповерхностных дефектов с ориентацией, перпендику­лярной поверхности контроля. При выборе конкретной схемы прозву­чивания следует учитывать как наличие конструктивных ограничите­лей, так и соотношение толщин свариваемых элементов. Так, напри­мер, при большой толщине основного и малой толщине притыкаемого элементов таврового сварного соединения неэффективен контроль со стороны основного элемента.

Рис. 8.33. Наиболее широко применяемые схемы прозвучивания сварных соединений:

а, б - тавровых; в – угловых; г, д, е, ж – приварки штуцеров (патрубков); з – нахлесточных.

к - конструктивные ограничители. Буква­ми обозначены следующие типы ПЭП: П - прямой, Н – наклонный, Г - головных волн.

 - наклонный ПЭП перемещается от наблюдателя;

- наклонный ПЭП перемещается на наблюдателя