Статьи

О состоянии метрологического обеспечения и использовании стандартных ультразвуковых образцов для дефектоскопии и толщинометрии

Начальник отдела метрологического контроля
Средств измерительной техники НК
Сунцов М.М.

Важнейшим фактором обеспечения качественного ультразвукового (УЗ) контроля изделий, материалов и их соединений является обеспечение достоверности и единообразия, особенно при диагностике объектов повышенной опасности, арбитражных проверках и отработке технологий.

Прочностные характеристики контролируемых материалов и соединений зависят от размеров дефектов, их плотности, координат, ориентации и вида (объемные или плоскостные). Эти показатели определяют стандартными УЗ технологиями и измерением времени прохождения ультразвука до дефектов. Произведение этого времени на скорость распространения ультразвука в материале позволяет установить расстояние до объекта контроля и рассчитать вышеуказанные характеристики.

Размеры дефектов можно оценить, применяя:

• УЗ дефектоскопы, позволяющие измерять эквивалентные площади этих дефектов, используя АРД-диаграммы (амплитуда-расстояние-диаметр) и опорные УЗ сигналы от донной поверхности контролируемого материала или стандартного образца (СО) известной толщины, изготовленного из этого же материала, т. е. с таким же затуханием (ослаблением) и скоростью распространения ультразвука;
• опорные УЗ сигналы от искусственных отражателей, нормированных по площади, отражающей сигнал, и конфигурации (угловой, цилиндрический, дисковый, зарубка, сегментный и т.п.), изготовленных в СО из известного (по затуханию и скорости распространения УЗ) материала. Соотношение эффективных площадей дефектов в контролируемых изделиях и площади известного искусственного дефекта в СО коррелируют с отношением амплитуд УЗ сигналов от них.

Таким образом, достоверность и единообразие УЗ контроля как в первом, так и во втором случаях напрямую зависит от правильности выбора, достоверности и единообразия опорных сигналов от искусственных отражателей, изготавливаемых в УЗ СО, которые выполняют функцию мер физических величин скорости распространения ультразвука, затухания ультразвука и эффективной (отражающей ультразвук) площади искусственных дефектов. УЗ дефектоскоп в первом случае выполняет функцию средства измерительной техники прямого действия, а во втором случае — средства измерительной техники сравнения (компаратора).

Согласно [1] все СО состава и свойств материалов и изделий по своему статусу подразделяют на государственные — ГСО, отраслевые — ОСО и предприятий — СОП. В УЗ дефектоскопии и толщинометрии СО они предназначены для хранения, воспроизведения и передачи таких физических величин:

• скорость распространения ультразвука, м/с,
• затухание ультразвука, дБ, или коэффициент затухания, дБ/см,
• эффективная площадь дефекта, мм²,
• эффективная толщина материала, мм.

            Рассмотрим стандартные УЗ образцы, применяемые в Украине.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С	скорость распространения ультразвука
Н	эффективная толщина материала
НØ6 мм, НØ2 мм, НØ1,6 мм, НØ1 мм)	глубина залегания искуственного УЗ отражателя диаметром 6; 2; 1,6; 1,0 мм соответственно
K20, K50	затухание УЗ сигнала при распространении на глубину 20 и 50мм соответственно
L	линейный размер
∆R	разница /разность/ между радиусами цилиндрической поверхности образца
S	эффективная площадь дефекта
t20	время распространения УЗ сигнала от момента его излучения до приема на расстоянии, соответствующем 20 мкс в донном материале
∆t по глубине	время распространения УЗ сигнала от момента его излучения до приема
tg ά	тангенс угла ά между плоскодонными отражателями
ά	относительная погрешность (угол ввода УЗ сигнала в материал)
α
δ
Δ	абсолютная погрешность
σ	затухание ультразвука
глб	по глубине
прод	продольный
попер	поперечный
сдв	сдвиговый
УЗК	ультразвуковые колебания

 

СОКРАЩЕНИЯ

ГСО ОУ-1-1 (ГСО 4239—88)	Государственные стандартные образцы ослабления ультразвука
ГСО ОУ-1-2 (ГСО 4240—88)
ГСО ОУ-1-3 (ГСО 4241—88)
ГСО ОУ-1-4 (ГСО 4242—88)
ГСО ОУ-1-5 (ГСО 4243—88)
ГСО-Р
ГСП КОУ-2
КМД2-0	Комплект мер для дефектоскопии с цилиндрическими отражателями
КМД4-0	Комплект мер для дефектоскопии с плоскодонными отражателями
КОУ-2	Комплект УЗ образцов
КУСОТ-180	Комплект УЗ СО толщины
КМТ-176 М1	Комплект мер толщины
МД2-0-1
МД2-0-2
УД2-70	УЗ дефектоскоп общего применения
УЗТ-1	УЗ тестер для поверки УЗ дефектоскопов
УИСУ-01
УИСУ-2	Установка измерения скорости ультразвука
УП-10ПУ	Установка поверки электронных блоков дефектоскопов
УПЭД-2	Установка поверки эхо- импульсных дефектоскопов
УС-12ИМ	Установка для измерения скорости и затухання ультразвука

ГОСУДАРСТВЕННЫЕ СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ

ГСО предназначены для хранения и передачи единиц измерения скорости распространения ультразвука, затухания ультразвука, эффективной толщины и эффективной площади УЗ отражателей к ОСО и УЗ дефектоскопам и толщиномерам.

ГСО ослабления ультразвука:

ГСО ОУ-1-1 (ГСО 4239—88)

σ _{прод УЗК} = 1,3 дБ, Δσ = ±1,5 дБ на частоте 5 МГц,

σ _{прод УЗК} = 14,0 дБ, Δσ = ±1,5 дБ на частоте 25 МГц,

С _{прод УЗК} = 6430 м/с, ΔС = ± 13 м/с.

Этот ГСО применяют для передачи единицы измерения скорости и затухания ультразвука мерам, применяемым в поверочных установках типа УПЭД-2 [2], УИСУ-2.

 

ГСО ОУ-1-2 (ГСО 4240—88)

σ _{прод УЗК} = 0,5 дБ, Δσ = ±1,5 дБ на частоте 5 МГц,

σ _{прод УЗК} = 2,8 дБ, Δσ = ±1,5 дБ на частоте 10 МГц,

С _{прод УЗК} = 6060 м/с, ΔС = ± 30 м/с.

 

ГСО ОУ-1-3 (ГСО 4241—88)

σ _{прод УЗК} = 0,6 дБ, Δσ = ±1,5 дБ на частоте 5 МГц,

С _{прод УЗК} = 6060 м/с, ΔС= ± 30 м/с.

Эти ГСО применяют для передачи единицы измерения скорости и затухания ультразвука и опорного сигнала при измерении площади дефектов в мерах КМД-4 установок типа УПЭД-2, УП-10ПУ и УЗТ-1.

 

ГСО ОУ-1-4 (ГСО 4242—88)

σ _{прод УЗК} = 0,1 дБ, Δσ = ±1,3 дБ на частоте 1,25 МГц,

σ _{прод УЗК} = 1,1 дБ, Δσ = ±1,3 дБ на частоте 2,5 МГц,

С _{прод УЗК} = 6376 м/с, ΔС = ± 32 м/с.

σ _{сдв УЗК} = 3,0 дБ, Δσ = ±1,5 дБ на частоте 2,5 МГц,

σ _{сдв УЗК} = 8,7 дБ, Δσ = ±1,5 дБ на частоте 5 МГц,

С_{сдв УЗК} = 3173 м/с, ΔС = ± 30 м/с.

Эти ГСО применяют для передачи единицы измерения скорости и затухания ультразвука мерам установок типа УПЭД-2.

 

ГСО ОУ-1-5 (ГСО 4243—88)

σ  _{сдв УЗК} = 1,2 дБ, Δσ = ±1,0 дБ на частоте 5 МГц,

С _{сдв УЗК} = 3270 м/с, ΔС = ± 71 м/с.

Н _{Ø6 мм} =   44,00 мм, ΔН = ± 0,05 мм

Н _{Ø1,6 мм} = 49,94 мм, ΔН = ± 0,05 мм

Н _{Ø1 мм} = 49,92 мм, ΔН = ± 0,05 мм

Этот ГСО применяют для передачи единицы измерения скорости и затухания ультразвука и опорного сигнала при измерении площади дефектов в мерах КМД-2, КОУ-2 (СО-2), ГСО-Р (СО-3Р) установок типа УПЭД-2, УП-10ПУ и УЗТ-1.

 

ГСО эффективной толщины:

КУСОТ-180 (КМТ-176 М1) (ГСО) [3]

Диапазон эффективных толщин по стали 40Х13 при С = 6050 ± 30 м/с — от 0,2 до 300 мм,

δ = ± 0,7 %  в диапазоне 0,2—5 мм

δ = ± 0,4 % в диапазоне 6—10 мм

δ = ± 0,3 % в диапазоне 12—300 мм

Диапазон эффективных толщин по алюминию Д16Т при С = УЗ 6300 ± 30 м/с — от 1 до 300 мм, δ = ± 0,7 % в диапазоне 1—5 мм

δ = ± 0,4 % в диапазоне 6—10 мм

δ = ± 0,3 % в диапазоне 12—300 мм

Диапазон эффективных толщин по латуни Л63 при С = 4430 ± 30 м/с — от 1,0 до 100,0 мм,

δ = ± 0,7 % в диапазоне 1—5 мм

δ = ± 0,4 % в диапазоне 6—10 мм

δ = ± 0,3 % в диапазоне 12—100 мм

Воспроизведение физических величин в данных образцах проводят на установках высшей точности УИСУ-01, УИСУ-2, УС-12ИМ c применением образцовых измерительных средств для линейно-угловых измерений.

 

ОТРАСЛЕВЫЕ СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ

ОСО предназначены...

МД 2-0-1 [4]

Диаметр цилиндрического отражателя — 1,6 мм

Глубина залегания — от 0,5 до 50 мм

σ _{прод УЗК} 1,0 дБ, Δσ = ±0,3 дБ на частоте 10 МГц,

С _{прод УЗК} = 6030 м/с, ΔС = ± 30 м/с.

МД 2-0-2 [4]

Диаметр цилиндрического отражателя — 1 мм

Глубина залегания — от 0,5 до 50 мм

σ _{прод УЗК} ≤ 1,0 дБ, Δσ = ±0,3 дБ на частоте 10 МГц,

С _{прод УЗК} =  6030 м/с, ΔC = ± 30 м/с.

Эти ОСО предназначены для измерения параметров (чувствительности и погрешности измерения координат) ультразвуковых импульсных дефектоскопов и получения опорного сигнала от цилиндрического отражателя при аттестации и поверке СОП.

 

КМД 4-0 (от МД4-0-1 до МД4-0-25) [5].

Диаметры дисковых отражателей — 1; 1,2; 1,6; 2; 3,2 мм

Глубина залегания отражателя — от 1 до 180 мм

σ _{прод УЗК} ≤ 1,0 дБ, Δσ = ±0,3 дБ на частоте 10 МГц,

С _{прод УЗК} =  6030 м/с, ΔС= ± 30 м/с.

Разброс С _{прод УЗК} в комплекте — не более 2 %

Отклонение амплитуд сигналов от однотипных отражателей — не более 3 дБ.

Эти ОСО предназначены для измерения параметров (чувствительности и погрешности измерения глубины залегания и эффективной площади отражателя) УЗ импульсных дефектоскопов и получения опорного сигнала от дискового отражателя при аттестации и поверке СОП.

ГСП КОУ-2 (СО-1; СО-2; СО-3; СО-4) [6, 7])

СО-1

С _{прод УЗК} = 2670 м/с, ΔС =  ± 113 м/с,

t₂₀   = 20 ± 1 мкс. Δt _глб = 1,5; 2,24; 3,75 мкс,

Глубина залегания цилиндрических отражателей Ø 2 мм — от 5 до 55 мм,

К₂₀ = – 3 дБ,

К₅₀ = – 29 дБ.

СО-1 предназначен для:

• определения условной чувствительности в миллиметрах глубины залегания цилиндрического отверстия и настройки на заданную условную чувствительность эхоимпульсных УЗ дефектоскопов с пьезоэлектрическими  преобразователями (ПЭП) на частоту 1,25—5 МГц;

Определения условной чувствительности и настройки УЗ дефектоскопов с помощью СО-1

• оценки точности глубиномера (прямой ПЭП в положении над пропилом); для дефектоскопов с калибровкой глубиномера в единицах времени время прохождения УЗК от поверхности, на которую установлен ПЭП, до пропила и обратно составляет 20 мкс, по стали это соответствует пройденному УЗК расстоянию 2×59 мм;

Оценки точности глубиномера дефектоскопа с помощью СО-1

• оценки лучевой разрешающей способности прямых ПЭП (прямой ПЭП в положении над пропилами); если все три отражателя не «сливаются», т.е на экране дефектоскопа наблюдается три импульса: донный, от ступенек глубиной 5 и 2,5 мм, то разрешающая способность равна по органическому стеклу 2,5 мм, расстояние же между импульсами для стали будет соответствовать: 1—2  — 5,5 мм; 2—3 — 11мм;
• оценки лучевой разрешающей способности наклонных ПЭП, которую определяют по трем концентрическим окружностям различного диаметра; если на экране дефектоскопа видны три импульса УЗК от поверхностей цилиндрических отражателей, то в стали это будет соответствовать расстоянию между отражателями соответственно: 1—2 — 5,5 мм; 2—3 — 11 мм, т. е. лучевая разрешающая способность равна 5,5 мм.

 

СО-2

С _{продольных УЗК} = 5900 м/с, ΔС = ± 59 м/с,

t₂₀   = 20 ± 1 мкс,

ά от 10^º до 80^º;  Δά = ± 1^º.

Глубина залегания цилиндрического отражателя Ø 6 мм — 15 и 44 мм,

Глубина залегания цилиндрических отражателей Ø 2 мм — 3 и 8 мм,

Отклонение амплитуды сигнала от однотипного отражателя Ø 6 мм в ГСО ОУ 1-5 не более 2 дБ.

Стандартный образец СО-2

СО-2 применяют для:

• определения погрешности глубиномера с прямым ПЭП; для дефектоскопов с  калибровкой глубиномера в единицах времени время прохождения УЗК от поверхности, на которую установлен ПЭП, до дна и обратно составляет 20 мкс;

Определение погрешности глубиномера дефектоскопа с помощью СО-2

• измерения угла a ввода луча наклонных ПЭП; перемещением наклонных ПЭП около этих положений добиваются получения максимального эхосигнала от отражателя (цилиндрическое отверстие Æ 6 мм, расположенное на глубине 44 мм или 15 мм для различных положений ПЭП); значения угла считывают по риске угловой шкалы напротив точки выхода УЗ луча;
• проверки минимальной глубины прозвучивания, «мертвой» зоны преобразователя, которую проводят по отражателям Æ 2 мм, расположенным на глубине 3 мм и 8 мм с противоположных сторон образца;
• определения чувствительности дефектоскопа с использованием опорного сигнала от отражателя (цилиндрическое отверстие Æ 6 мм, расположенное на глубине 44 мм или 15 мм для различных положений ПЭП);

Проверка минимальной глубины прозвучивания  («мертвой» зоны) с помощью СО-2, настройка чувствительности по отв.ø 6мм; проверка угла ввода УЗК

• определения ширины основного лепестка диаграммы направленности (перемещая ПЭП около положения, соответствующего углу ввода);

СО-3

С _{прод УЗК} = 5900 м/с, ΔС = ± 59 м/с,

ΔR не более 0,1 мм,

L = от 0 до ± 20 мм; ΔL = ± 0,1 мм

Стандартный образец СО-3

СО-3 предназначен для:

• определения точки выхода 0 УЗ луча; для этого наклонный ПЭП устанавливают над центральной риской, небольшим перемещением находят положение соответствующее максимальному эхосигналу; точка выхода расположена точно над центральной риской образца;

Определение точки выхода 0 УЗ луча с помощью СО-3

• определения стрелы n \ссылка на рисунок\ преобразователя в миллиметрах; данный параметр определяют как расстояние от точки выхода УЗ луча до торца ПЭП в направлении прозвучивания  (измеряется по боковой шкале, отградуированной в миллиметрах);
• определения чувствительности для наклонного ПЭП;

Определение чувствительности для наклонного ПЭП с помощью СО-3

• настройки глубиномера для наклонного ПЭП;

Допускается применение СО для определения времени распространения УЗК в призме преобразователя.

Все указанные операции выполняют в положении наклонного ПЭП, когда точка выхода УЗК совпадает с центром 0 образца.

СО-4

С _{попер УЗК} = 3120 м/с, ΔС = ± 32 м/с,

tg ά = 0,042.

СО-4 служит для определения длины поперечной волны и последующего расчета частоты при известной скорости звука УЗК, возбуждаемых преобразователями с углами a ввода луча от 40°до 65° и частотой 1,25 — 5 МГц.

Комплект образцов типа КОУ-2 предназначен для настройки параметров ультразвуковых импульсных дефектоскопов и получения опорных сигналов от цилиндрического отражателя Ø 6 мм и Ø 2 мм при аттестации и поверке СОП.

ГСО-Р (СО-1Р; СО-3Р) [8]

Стандартный образец СО-3Р

СО-1Р

С _{прод УЗК} = 2670 м/с, ΔС= ± 113 м/с,

Глубина залегания цилиндрических отражателей Ø 8,0 мм — от 5 до 50 мм (подобно образцу СО-1),

К₂₀ = – 3 дБ,

К₅₀ = – 29 дБ.

СО-3Р

С _{прод УЗК} = 5900 м/с, ΔС = ± 118 м/с,

t₂₀ = 20 ± 1 мкс,

ά = 10^º — 70^º; Δά = ± 1^º ,

Глубина залегания цилиндрического отражателя Ø 6 мм — 15 и 44 мм,

Глубина залегания цилиндрических отражателей Ø 2 мм — 3; 6; 9 и 12 мм,

Отклонение амплитуды сигнала от однотипного отражателя Ø 6 мм в ГСО ОУ 1-5 не более 2 дБ, т.е. допуск ± 1,0 дБ

ΔR ≤ 0,1 мм,

L = от 0 до 20 мм; ΔL = ± 0,1 мм

Определение угла ввода УЗК и чувствительности наклонного ПЭП по отражателю отв ø 6мм  стандартного образца  СО-3Р

Настройка длительности развертки для прямого по донной поверхности и наклонного ПЭП по отражателю отв. ø 6мм стандартного образца СО-3Р

Определение угла ввода УЗК , чувствительности наклонного ПЭП по отражателю отв.ø 6мм и по цилиндрической поверхности; точки выхода УЗК, стрелы наклонного ПЭП, определение минимальной глубины прозвучивания наклонного ПЭП по отв. ø 2мм.

Согласно [8] СО-3Р изготавливают из стали 20 [9]. Скорость распространения продольной УЗ волны в образце при температуре 20°С должна быть равна 5900 ± 118м/с.

По своему конструктивному исполнению и функциональному назначению СО-3Р как бы объединяет в себе СО-2 и СО-3.

Комплект образцов типа ГСО-Р предназначен для настройки параметров УЗ импульсных дефектоскопов (преимущественно рельсовых) и получения опорных сигналов от цилиндрического отражателя Ø 6 мм и Ø 2 мм при аттестации и поверке СОП.

 

Калибровочные образцы (блоки) V1 (К1) V2 (К2)

V1 (К1) [10]

Калибровочные образцы V1 и V2 согласно [10, 11]

Калибровочный образец №1 (V1; K1) применяют для:

• настройки глубиномера дефектоскопа и проверки линейности развертки; в зависимости от требуемого диапазона настройки, прямой ПЭП устанавливают в положение А или Б. Время прохождения продольной волны в оргстекле (положение Б) соответствует времени прохождения расстояния 50мм по стали;
• настройки глубиномера дефектоскопа для поперечных волн; для этого наклонный ПЭП устанавливают в положение В и небольшими перемещениями получают максимальный эхосигнал от цилиндрической поверхности радиусом 100 мм;
• настройки скорости развертки для поперечных волн; для этого прямой ПЭП устанавливают в положение Г. Время прохождения продольными волнами пути 91 мм соответствует времени прохождения поперечными волнами 50 мм; таким образом, донные импульсы устанавливают на 50 мм, 100 мм, 150 мм и т.д.;

Калибровочный образец №1 (V1; K1)

Расположение для прямого ПЭП  при юстировке сигнала расстояния

Схематическое изображение экрана  для диапазона контроля 100 мм

• определения точки выхода УЗК и стрелы наклонного ПЭП; для этого наклонный ПЭП устанавливают в положение Д и небольшими перемещениями получают максимальный эхосигнал от цилиндрической поверхности радиусом 100 мм; в этом положении точка выхода расположена в центре радиуса образца, а стрелу отсчитывают по миллиметровой шкале от точки выхода УЗК до торца преобразователя в направлении прозвучивания;

Расположение наклонного ПЭП  для контроля точки выхода УЗК

• определения угла ввода наклонного ПЭП; для этого ПЭП устанавливают в положения А для углов ввода 35°—65° и Б для углов ввода 60°—75°; при максимальной амплитуде эхосигнала от отверстия Æ50 мм по угловым шкалам определяют угол ввода; для углов ввода 75°—80° ПЭП устанавливают в положение В и при максимальной амплитуде эхосигнала от отверстия Ø 1,5 мм по угловой шкале определяют угол ввода;

Установка положения наклонного искателя для определения угла ввода звуковых колебаний:
1 — Место расположения а; 2 — место расположения б; 3 — место расположения с

• проверки минимальной глубины прозвучивания, «мертвой» зоны, прямых или раздельно-совмещенных ПЭП;
• проверки разрешающей способности прямых ПЭП; на экране дефектоскопа должны быть различимы три импульса: от пропила, от площадки на глубине 91мм и от донной поверхности 100мм;

Расположение прямого ПЭП для оценки разрешающей способности по глубине

Схематические изображения экрана при оценке разрешающей способности по глубине  I- Хорошо; 2- Плохо

• задания условной чувствительности дефектоскопа при работе с прямым ПЭП.
• задания условной чувствительности дефектоскопа при работе с наклонным ПЭП; в качестве опорных используют эхоимпульсы от внутренней цилиндрической поверхности радиусом 100 мм; от наружных поверхностей Ø50 мм и Ø 1,5 мм.

Расположение наклонного искателя для определения чувствительности

• настройки чувствительности дефектоскопа с наклонным ПЭП; в качестве опорного отражателя используют двугранный угол между плоскостью образца и цилиндрической поверхностью отверстия Æ 1,5 мм.

 

V2 (К2) [11]

Калибровочный образец №2 (V2; K2) по форме и размерам удобен для использования при непосредственном УЗ контроле, удобен при транспортировке, так как имеет малые габариты и массу, поэтому всегда может находиться у оператора. Однако он имеет ограниченную область применения, в частности, не предназначен для полной проверки настройки УЗ дефектоскопов. По сравнению с калибровочным образцом №1(V1; K1) диапазон использования образца №2 (V2; K2) меньше и ограничен применением с малогабаритными и миниатюрными преобразователями.

Калибровочный образец №2 (V2; K2) предназначен для:

• настройки длительности развертки (диапазона контроля) при работе с прямым ПЭП. Прямой ПЭП устанавливают в положение А и в зависимости от требуемого диапазона настройки, по числу донных импульсов, умноженных на толщину образца, устанавливают требуемый диапазон контроля для прямого ПЭП в миллиметрах;

Положение преобразователя продольных волн на образце при калибровке

Схематическое изображение упьтразвукового сигнала калибрования расстояния 50 мм с преобразователем продольных волн

• настройки длительности развертки при работе с наклонным ПЭП; для этого наклонный ПЭП устанавливают в положение Б или В в зависимости от требуемого диапазона настройки и небольшими перемещениями получают максимальный эхосигнал от цилиндрической поверхности радиусом 25 мм или 50 мм; для положения А возможна установка длительности развертки по донным эхоимпульсам от цилиндрических поверхностей на 25, 100, 175 мм; для положения Б возможные установки длительности развертки могут быть 50, 125, 200 мм;

Схема настройки расстояния 125 мм с преобразователем поперечных волн

Схема регулировки чувствительности с использованием преобразователя поперечных волн по эхосигналам от поверхностей А и В

• определения точки 0 выхода УЗК и стрелы наклонного ПЭП; наклонный ПЭП устанавливают в положение Б или В и небольшими перемещениями получают максимальный эхосигнал от цилиндрической поверхности радиусом 25 мм или 50 мм; в этом положении точка выхода расположена в центре радиусов образца (риска напротив цилиндрического отражателя Æ 5 мм), а стрелу отсчитывают по миллиметровой шкале от точки 0 выхода УЗК до торца преобразователя в направлении прозвучивания;

Схема определения угла введения луча ультразвуковых волн

Настройка длительности развертки 25-100-175мм и 50-125-200 мм

• расположение наклонного искателя для определения угла ввода наклонного ПЭП; для этого ПЭП устанавливают в положения Г для углов ввода 35°—65° или Д для углов ввода 65°—75°; значение угла считывают при максимальной амплитуде эхосигнала от отверстия Ø 5 мм по риске угловой шкалы напротив точки выхода УЗ луча;

• настройки чувствительности дефектоскопа с прямым ПЭП (ПЭП может быть в положениях А, Е); в положении А последовательность донных эхосигналов применяют в качестве калибра для настройки чувствительности; в положении Е используют эхосигнал максимальной амплитуды от отверстия Ø 5 мм.

Схема настройки чувствительности с преобразователем продольных волн по эхосигналу от боковой поверхности образца («а») и поверхности отверстия образца («b»)

Схема настройки чувствительности с преобразователем поперечных волн по эхо сигналу от отверстия(«а») и радиусной поверхности («b») образца

Кроме рассмотренных СО, для контроля определенных типов изделий используют дополнительные СО, изготовленные в соответствии с ведомственной нормативной документацией.

Образцы V1 и V2 рекомендованы к применению Международным институтом сварки.

Поверку (калибровку) ОСО проводят путем прямого измерения их характеристик на установках УИСУ-01, УИСУ-2, приборами УС-12ИМ, УД2-70 с применением ГСО ОУ.

 

СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ ПРЕДПРИЯТИЙ

СОП предназначены...

При УЗ контроле конкретных материалов, изделий и соединений опорные сигналы для настройки УЗ импульсных дефектоскопов, как правило, получают от искусственных дефектов в СОП, изготавливаемых из материалов, близких по своим УЗ характеристикам (скорости распространения и коэффициенту затухания).

Для каждой группы материалов, изделий и соединений подготавливают свои технологические инструкции (отраслевые или предприятий), которые нормируют формы и размеры искусственных дефектов, классы дефектности, которые и связаны с прочностными характеристиками контролируемой продукции. Таких инструкций может быть большое количество, однако, учитывая основные отраслевые документы и основные наиболее ответственные виды продукции, в настоящее время в Украине нашли применение стальные СОП.

НД	Толщина материала, мм		4-5	6-7	8-9	10-11	12- 13	14	15- 16	17- 18	19	20	21- 25	26- 40		Примеч.
[12]	Форма отражателя		Угловой										Цилиндрич
	Размер отражателя, мм	а	2,0	2,0	2,0	2,5	2,5	2,5	3,5	3,5	3,5	3,5	Ø 6 мм
		н	1,0	1,0	1,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	44 мм
		άº	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2
	Опорный сигнал
[13]	Форма отражателя		Угловой
	Размер отражателя, мм	а	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,5	2,5	2,5	3,0	3,0		3,0
		н	0,8	1,0	1,5	1,5	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0		2,5
		Άº	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2		90±2
	Опорный сигнал
[14]	Форма отражателя		Угловой
	Размер отражателя, мм	а			4,0	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0
		н			2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	3,5	3,5	3,5	3,5
		Άº	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2		90±2
	Опорный сигнал
[15]	Форма отражателя		Угловой										Цилиндрич
	Размер отражателя, мм	а	-	1,5	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	3,0	3,0	Ø 6 мм
		н		1,2	1,2	1,2	1,5	1,5	1,5	1,5	2,0	2,0	44 мм
		Άº	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2
	Опорный сигнал
[16]	Форма отражателя		Угловой										Цилиндрич
	Размер отражателя, мм	а	2,0	2,0	2,5	2,5	2,5	2,5	3,5	3,5	3,5	3,5	Ø 6 мм
		н	0,8	1,0	1,5	1,5	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	44 мм
		άº	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2
	Опорный сигнал
[17]	Форма отражателя		Угловой										Цилиндрич
	Размер отражателя, мм	а	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,5	2,5	2,5	2,5	Ø 6 мм
		н	0,8	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,5	1,5	2,0	2,0	44 мм
		άº	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2
	Опорный сигнал
[18]	Форма отражателя		Угловой
	Размер отражателя, мм	а	1,5	1,5	2	2,0	2,0	2,0	2.0	2,0	2,0	3,0
		н	0,7	1.1	1,1	1,1	1,1	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0
		άº	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2
	Опорный сигнал
[19]	Толщина материала, мм		2-5	6	7-8	9-12	13	14	15	16-18	19	20
	Форма отражателя		Угловой
	Размер отражателя, мм	а	1,0	1,5	1,5	2,0	2,5	3,5	3,5	4,0	4,0	4,0
		н	0,7	0,9	1,1	1,7	2,0	2,0	2,0	2,5	2,5	2,5
		άº	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2	90±2
	Опорный сигнал

 

Стандарт [6] предусматривает несколько типов СОП с искусственными отражателями в виде:

• плоскодонных дисковых отражателей, ориентированных перпендикулярно УЗ лучу;
• угловых отражателей в виде зарубки с вертикальной рабочей гранью, ориентированной перпендикулярно плоскости сканирования преобразователя;
• цилиндрических отверстий, образующая которых направлена перпендикулярно УЗ лучу;
• сегментных отражателей с отражающей поверхностью, расположенной перпендикулярно акустической оси ПЭП.

СОП с отражателями в виде бокового цилиндрического отверстия, образующая которых направлена перпендикулярно УЗ лучу, применяют для настройки развертки, глубиномера, чувствительности при контроле прямыми и наклонными ПЭП. Данные отражатели можно видеть в СО-2,СО-3, №1(V1; K1), №2 (V2; K2).

Основные требования при изготовлении такого типа отражателей — это соблюдение норм по расположению, по координате залегания отверстия (отверстий), его (их) строгая ориентация по углу (с соблюдением параллельности) относительно рабочей поверхности, выполнение отражающей (цилиндрической) поверхности с параметрами шероховатости не грубее указанных в документации (для СО-2 данный параметр составляет Rz 20). Применение СОП с цилиндрическим отверстием регламентируется нормативной документацией на контроль: стандарт [6] содержит (рекомендуемое) приложение 6 «Методика определения предельной чувствительности и эквивалентной площади выявленного дефекта по образцу с цилиндрическим отверстием».

СОП с направленным сегментным отражателем, отражающая поверхность которых расположена перпендикулярно акустической оси ПЭП, предназначены для настройки чувствительности дефектоскопа и определения эквивалентных размеров дефектов при  работе с наклонными преобразователями.

СОП с направленным сегментным отражателем:
  1  —  плоскость  сегментного отражателя;  2 — преобразователь;  3 — блок  из контролируемого  металла; 4 — акустическая ось

Стандарт [6] устанавливает такую норму: высота h сегментного отражателя должна быть больше длины ультразвуковой волны; отношение h/b (b — ширина сегментного отражателя) должно быть более 0,4; угол между плоскостью сегмента и контактной поверхностью образца должен составлять a ± 1°. Широкого применения на практике при проведения УЗК эти СО не нашли, хотя они упомянуты в [19].

СОП в виде плоскодонных отражателей предназначены для настройки чувствительности дефектоскопа и определения эквивалентных размеров дефектов при  работе с прямыми и наклонными ПЭП.

СОП в виде плоскодонных отражателей

1 —  дно отверстия;  2 —  преобразователь; 3 — блок из контролируемого металла; 4 —  акустическая  ось

СОП в виде призм или параллелепипедов со скошенными торцами

При работе с прямыми ПЭП образцы имеют вид цилиндров, ступенчатых блоков или параллелепипедов требуемой высоты. Со стороны, противоположной рабочей (т. е. с донной) изготавливают плоскодонное отверстие с известными параметрами.

При контроле плоских изделий наклонными ПЭП образцы выполняют в виде призм или параллелепипедов со скошенными торцами. Со сторон, перпендикулярных углу ввода УЗК, на различной глубине изготавливают плоскодонные отверстия с известными параметрами. Размеры (диаметры) отражателей регламентируются нормативными документами. Стандарт [6] устанавливает предельное отклонение диаметра отверстия в $\mathrm{СОП}\pm \frac{\mathrm{IT14}}{2}$ [20].

Плоскодонные отражатели в СОП изготавливают на фрезерных и координатно-расточных станках повышенной или  высокой точности. Призматическую (или другого вида) заготовку с тщательно обработанными (рабочей, опорной, отражающими, боковыми) поверхностями устанавливают в тисках станка таким образом, чтобы поверхность ввода составляла угол 90° a с осью вращения режущего инструмента. При этом необходимо выдержать допустимое отклонение не более  ± 30´. После этого выполняют обработку отверстия. Чистовую обработку с доводкой донной поверхности производят с использованием специального инструмента.

Расчет координат отверстий выполняют по формуле: $B=\frac{\left(H+h\times \sin \left(\alpha \right)\right)}{\cos \left(\alpha \right)}$ , где Н — глубина залегания центра плоскодонного отражателя относительно рабочей поверхности, мм; h — глубина изготовления отражателя относительно отражающей поверхности, мм; α — угол ввода, град. При этом необходимо учитывать, что значение h должно быть не менее 10мм.

Обычно в одной заготовке можно выполнять несколько отражателей на различной глубине. Шаг расположения отражателей ΔН по глубине выбирают таким образом, чтобы исключить их взаимное влияние (одновременную фиксацию).

Снятая зависимость амплитуды эхоимпульсов от глубины залегания отражателей будет характеристикой для комбинации «дефектоскоп + преобразователь + диаметр отражателя (площадь отражателя)». Данная зависимость, построенная  в графическом виде в координатах «АМПЛИТУДА (dB) — РАССТОЯНИЕ (мм)», будет представлять собой АРД-диаграмму преобразователя для данного диаметра отражателя в данном диапазоне контроля для данной марки стали.

АРД-диаграммы для преобразователя  П121-5-40-М-003;
стрела 5 мм; площадь пъезопластины 25 кв. мм; отражатель-плоскодонное отверстие; задержка в призме 4.3 мкс; нормировано по отр. диаметром 6 мм в СО-2 на глубине 44 мм; pазмер пъезоэлемента 5×5 мм

АРД- иаграммы для преобразователя  П121-5-45-М-003;
стрела 6 мм; площадь пъезопластины 25 кв. мм; отражатель-плоскодонное отверстие; задержка в призме 3 мкс; нормировано по отр. диаметром 6 мм в СО-2 на глубине 44 мм; pазмер пъезоэлемента 5×5 мм

ОП с угловыми отражателями типа «зарубка» изготавливают в виде пластин, или частей цилиндрических поверхностей (частей труб) требуемой толщины. В зависимости от толщины образца нормативная документация устанавливает размеры отражателей и допуски на их изготовление. Стандарт [6] определяет общую норму для угловых отражателей: ширина b и высота h углового отражателя должны быть больше длины УЗ волны; отношение h/b должно быть более 0,5 и менее 4,0.

СОП с угловыми отражателями, типа «зарубка»

Стандартные образцы предприятия с угловыми отражателями типа «зарубка»:
1 —  плоскость углового отражателя; 2 —  преобразователь; 3 — блок из контролируемого металла; 4 — акустическая ось

Зависимость N—f (e) для стали, алюминия и его сплавов, титана и его сплавов

Предельную чувствительность (S_п) в квадратных миллиметрах, измеренную по стандартному образцу с угловым отражателем площадью S₁=h·b, вычисляют по формуле: S_п = N·S₁, где N — коэффициент для стали, алюминия и его сплавов, зависящий от угла a ввода УЗК, задается в технической документации на контроль с учетом справочного приложения, в котором определена зависимость коэффициента N для стали, алюминия и его сплавов, титана и его сплавов.

Нормативные документы [12, 13, 16, 17, 21] др. в зависимости от объекта контроля регламентируют параметры УЗ контроля (частоту, угол ввода ультразвуковых колебаний в сталь или угол падения УЗ волны по оргстеклу), устанавливают размеры угловых отражателей в СОП, допуски на их изготовление, порядок аттестации учета и хранения. Пользователю необходимо выполнить требования этих документов.

Во многих других случаях реализован обратный подход при определении размеров угловых отражателей. Нормативный документ задает уровень предельной чувствительности S_п, мм² в пересчёте на диаметр плоскодонного отверстия и (или) указывает диаметр плоскодонного отверстия, дает параметры контроля (частоту, угол ввода УЗК в сталь или угол падения УЗ волны по оргстеклу), диаграмму зависимости коэффициента N от угла ввода УЗ луча в металл, а пользователь самостоятельно рассчитывает для своих условий требуемые размеры отражателей («зарубок»). При этом необходимо исключить ошибки, которые достаточно часто встречаются. Так, иногда документация задает угол падения УЗ волны (угол наклона акустической оси преобразователя, угол призмы по оргстеклу), а график для коэффициента N дан для угла ввода [15]. Для указываемых углов падения УЗК для углов призмы по оргстеклу (30°, 40°—41°, 50°, 53°, 55°) соответствующие углы ввода УЗ волны в малоуглеродистые и низколегированные стали (для других материалов и углы ввода будут другими) составят 40°, 50°, 60°, 65°, 70°. Исходя из этого и рассчитывают требуемые размеры отражателей («зарубок»).

График зависимости коэффициента N от угла ввода α  УЗ луча

Например, согласно [15, 18, 19, 21] чувствительность контроля определяется площадью направленных отражателей. Соотношением между вертикальной гранью углового отражателя и площадью направленного отражателя, которые дают сигналы одинаковой амплитуды, и рассчитывается по формуле: $F\text{'}=\frac{F_0}{N}$ . По данным табличных значений для требуемой толщины определяют параметры контроля: частоту, угол ввода УЗК, площадь отражателя F₀ , способ контроля. Из графика зависимости  коэффициента N от угла ввода α  ультразвукового луча для требуемого угла ввода выбирают коэффициент N.

После пересчета $F\text{'}=\frac{F_0}{N}$ определяют размеры «зарубки». Например, согласно [20] для проведения УЗ контроля сварного шва изделия толщиной 8 мм параметры контроля будут такими: площадь F₀ = 1,6 мм²; частота ПЭП — 5 МГц; стрела ПЭП — 8 мм, угол ввода — 70°, контроль производить прямым лучом для нижней части шва и однажды отраженным для верхней части шва. При этом коэффициент N ≈ 0,8.  Для настройки чувствительности и глубиномера дефектоскопа площадь вертикальной грани угловых отражателей (нижней и верхней «зарубок») составит: $F\text{'}=\frac{\mathrm{1,6}}{\mathrm{0,8}}=2$ мм². Необходимо учесть требования [6]: ширина b и высота h углового отражателя должна быть больше длины УЗ волны; отношение h/b должно быть более 0,5 и менее 4,0; высота h углового отражателя должна быть в пределах λ < h ≤ 1,5λ, где λ – длина поперечной (в нашем случае) УЗ волны в стали. Согласно справочным данным длина поперечной волны λ в малоуглеродистой и низколегированной стали  при частоте 5 МГц составляет λ ≈ 0,7мм. Высоту h выбираем равной 1 мм (0,7 < 1 < 1,05). Отсюда ширина b составит 2/1 = 2мм. Таким образом, для нашего СОП толщиной 8 мм определены размеры угловых отражателей: 2×1 мм (отношение h/b составит 1/2 = 0,5). При правильном изготовлении образца разница в отражающих свойствах двух «зарубок» не превышает 1—2 dB при одинаковом способе прозвучивания.

Следует также обратить особое внимание на технологию изготовления отражателей во избежание различий по отражающим свойствам отражателей с острой вершиной угла 45° и отражателя с притупленной вершиной у отражающей грани зарубки. Рекомендации по изготовлению отражателей с притупленной вершиной даны в [16, 21].

Форма поверхности зарубок, изготовленных с помощью:  - остроконечного индентора; индентора с притуплённым торцом. Отражающие плоскости заштрихованы

Согласно данным [22] разница между отражающими свойствами угловых отражателей с острой вершиной и угловых отражателей с притупленной вершиной может составлять +(4—10) dB. Это, в свою очередь, приводит к перебраковке проконтролированных изделий, что говорит о недопустимости использования отражателей данного вида при проведении контроля без существенной коррекции и внесения поправок в настройки дефектоскопа.

Общие требования, предъявляемые к СОП:

• Однотипность акустических свойств (затухания, скорости распространения УЗК) образца и изделия. Они однотипны по затуханию, если средняя амплитуда донных сигналов в контролируемых изделиях отличается от амплитуд донных сигналов в СОП не более, чем на ±2 dB (при равных толщинах). Они однотипны по скорости распространения УЗК, если скорости отличаются не более, чем на ± 3% (к СОП для толщинометрии предъявляют более жесткие требования).
• Отсутствие в материале СОП естественных несплошностей, выявляемых при поисковом уровне чувствительности, заданной для данного материала.
• Допустимое соотношение «сигнал / шум» при настройке по СОП должно быть не меньше, чем 12 dB, для углеродистых и низколегированных сталей (данный критерий зависит от структуры материала (от размера зерна) и от используемых параметров контроля).
• Расстояния между отражателями, а также отражателей от боковых стенок должны быть такими, чтобы исключить их взаимное непредусмотренное влияние друг на друга.
• Каждый образец должен иметь маркировку с регистрационным номером и паспорт, куда заносят результаты аттестации и поверок (размер искусственного дефекта, скорость УЗК и отклонение амплитуды сигнала от отражателя относительно сигнала от отражателя образца более высокого ранга).

ВЫВОДЫ

Для обеспечения воспроизводимости УЗ контроля, повышения его достоверности и единообразия  при изготовлении и эксплуатации УЗ СО как мер физических величин необходимо приписывать им и контролировать следующие характеристики:

 

1. УЗ характеристики контролируемого материала:
   
   • скорость распространения ультразвука,
   • затухание или коэффициент затухания ультразвука,
   • геометрические размеры образца.
   
   Это достигается благодаря изготовлению образцов из контролируемого материала.
2. Характеристики аппаратуры контроля:
   
   • УЗ дефектоскопов согласно методикам их поверки (калибровки),
   • СО с указанием:
     
     1. формы и геометрических размеров искусственного УЗ отражателя.
     2. эквивалентной площади искусственного отражателя (мм²) или отклонение амплитуды УЗ сигнала от данного отражателя (дБ) относительно сигнала, получаемого от отражателя в СО более высокого ранга.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 8.315—91. ГСИ. Стандартные образцы. Основные положения. Порядок разработки, аттестации, утверждения, регистрации и применения.

2. МИ 1165—86. ГСИ. Установка для поверки эхоимпульсных дефектоскопов УПЭД-2. Методика поверки и аттестации.

3. ХФПИ 2.706.010 ТУ. Стандартные образцы ультразвуковой толщины. Технические условия.

4. ЩЮ 5.170.045. Стандартные образцы чувствительности для ультразвуковой дефектоскопии МД2-0. Технические условия.

5. ЩЮ 5.170.041. Стандартные образцы чувствительности для ультразвуковой дефектоскопии МД4-0. Технические условия.

6. ГОСТ 14782—86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.

7. ТУ 25-06.1847—78. Комплект образцов ультразвуковых КОУ-2. Технические условия.

8. ГОСТ 18576—96. Контроль неразрушающий. Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые.

9. ГОСТ 1050—88. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия.

10. ДСТУ 4001—2000 (ISO 2400:1972). Зварні шви на сталі. Зразок калібрування устаткування ульразвукового контролю.

11. ДСТУ 4002—2000 (ISO 7963:1985). Зварні шви на сталі. Калібрувальний зразок №2 для ультразвукового контролю зварних швів.

12. ОСТ 22-205—88. Ультразвуковая дефектоскопия сварных соединений грузоподъемных машин.

13. ВСН-012—88. Строительство магистральных и промышленных трубопроводов. Контроль качества и приемка работ.

14. СНИП 3.03.01—87. Несущие и ограждающие конструкции.

15. ОСТ 26-2044—83. Швы стыковых и угловых сварных соединений сосудов и аппаратов, работающих под давлением. Методика ультразвукового контроля.

16. ОП 501 ЦД—75 (РД34.17.302—75). Основные положения по ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений котлоагрегатов и трубопроводов тепловых электростанций.

17. И 23 СД—80. Инструкция по дефектоскопии гибов трубопроводов из перлитной стали

18. ГСТУ 3-037—2003. Посудини та апарати, що працюють під тиском. Методика ультразвукового контролю зварних з’єднань.

19. СОУ-Н МПЕ 40.1.17.302—2005 Ультразвуковой контроль сварных соединений элементов котлов трубопроводов и сосудов.

20. ГОСТ 25347—82. Основные нормы взаимозаменяемости. ЕСДП. Поля допусков и рекомендуемые посадки.

21. РТМ-1с—89. Сварка, термообработка трубных систем котлов и трубопроводов

22. Горбенко В.Н., Колбин И.Б., Топчий М.М. О различиях между некоторыми видами плоских угловых отражателей, изготовленных различными технологическими способами // Неразрушающий контроль. — К.: Ассоциация «ОКО», 2003. — №1. — С.

 

14. ПНАЭ Г-7-014—89. Унифицированная методика контроля основного металла (полуфабрикатов) сварных соединений и наплавок оборудования и трубопроводов АЭС. Ультразвуковой контроль. (1 часть).

15. РДИ 38.18.016—94. Инструкция по ультразвуковому контролю сварных соединений технологического оборудования.

18. ОП 501 ЦД—97 (РД34.17.302—97). Котлы паровые и водогрейные. Трубопроводы пара и горячей воды, сосуды, сварные соединения. Контроль качества. Ультразвуковой контроль. Основные положения.

19. ОСТ 92-1173—87. Соединения сварные. Методы ультразвукового контроля.

20. Е.Ф.Кретов. Ультразвуковая дефектоскопии в энергомашиностроении.

21. И.Н.Ермолов. Неразрушающий контроль. Акустические методы контроля. Книга 2.