Основные контролируемые параметры дефектоскопа с преобразователем

Параметры контроля, обусловливающие достоверность его результатов, называются основными. Это значит, что контроль одного и того же объекта, выполненный при тех же основных параметрах другим дефектоскопистом или в другом месте, даст результаты, совпадающие в пределах допустимой погрешности; в координатах участков изделия, где по результатам контроля показаны несплошности, действительно находятся несплошности (то есть индикации, наблюдаемые на экране дефектоскопа, классифицированы правильно).

Основные параметры контроля зависят от применяемых средств контроля и акустических свойств контролируемого объекта. Некоторые из основных параметров контроля с течением времени под воздействием внешних факторов (износа ПЭП, температуры окружающей среды, из-за нестабильности параметров дефектоскопа) могут изменяться. В связи с этим необходимо систематически проверять эти параметры при помощи стандартных образцов.

Периодичность контроля основных параметров указана в таблице 4.

Таблица 4 – Периодичность контроля основных настроечных параметров

№ п/п	Основные параметры контроля	Периодичность проверки
	Точка выхода луча ПЭП	В начале смены; при смене ПЭП
	Точность работы глубиномера	В начале смены; при смене ПЭП
	Угол ввода	В начале смены; при смене ПЭП; при отличии температуры контроля более, чем на 10?С относительно температуры настройки
	Условная чувствительность	В начале смены; при смене ПЭП; перед каждым дефектным сечением; при отличии температуры контроля более, чем на 10?С относительно температуры настройки
	Мертвая зона	В начале смены; при смене ПЭП; перед каждым дефектным сечением после настройки условной чувствительности

Основными контролируемыми параметрами дефектоскопа с наклонным ПЭП являются (параметры даны в порядке очередности проверки):

- точка выхода луча;

- точность работы глубиномера;

- угол ввода ПЭП;

- условная чувствительность;

- мертвая зона.

Рисунок 159 – Измерение точки выхода ПЭП

Точка выхода ПЭП – точка пересечения акустической оси ПЭП с его контактной поверхностью. Направляя акустическую ось ПЭП на цилиндрическую часть образца СО-3, 3Р, перемещают ПЭП по рабочей поверхности образца, выбирая положение ПЭП, при котором амплитуда эхо-сигнала от цилиндрической поверхности максимальная (рисунок 159). Точка выхода луча, нанесенная на корпус ПЭП, должна совпадать с геометрическим центром образца. Если она не совпадает или отсутствует, то следует на корпус ПЭП нанести новую метку, а старую – удалить. Положение точки выхода изменяется из-за износа призмы ПЭП. При неравномерном износе призмы ПЭП перед уточнением положения точки выхода луча прошлифовать донышко для восстановления параллельности контактной поверхности.

Рисунок 160 – Стрела ПЭП

Стрела ПЭПn – расстояние между точкой выхода луча и передней гранью корпуса наклонного ПЭП (рисунок 160). Размер стрелы наклонного ПЭП имеет наибольшее значение при контроле сварных соединений небольшой толщины (менее 20 мм) с валиком усиления. Обычно ставится задача прозвучивания корня шва прямым лучом, поэтому точка выхода должна быть максимально приближена к валику усиления, т.е. стрела ПЭП должна быть по возможности минимальной. Для используемых на практике ПЭП n = 9 – 15 мм. Измеряется стрела ПЭП на образцах СО-3, СО-3Р в том же положении, что и точка выхода, по шкале, проградуированной в мм.

Применение знаний точки выхода и стрелы ПЭП для контроля стыковых сварных соединений с валиком усиления:

1. Проверить точку выхода и измерить стрелу n выбранного ПЭП, для этого необходимо:

- установить ПЭП на образец СО-3 и получить максимальный эхо-сигнал от его цилиндрической поверхности, перемещая ПЭП вдоль поверхности контакта;

- проверить совпадение точки выхода луча ПЭП с нулевой риской СО-3. При этом нужно удерживать ПЭП в положении получения максимального эхо-сигнала. При несовпадении рисок нужно поставить новую риску на боковой поверхности ПЭП, совпадающую с нулевой риской на образце при получении максимума амплитуды эхо-сигнала от цилиндрической части образца;

- измерить и записать значение стрелы ПЭП в миллиметрах, используя шкалу СО-3.

Рисунок 161 – Схема прозвучивания сварногошва прямым лучом

2. Определить возможность использования выбранного ПЭП для схемы прозвучивания сварного шва данного контролируемого объекта прямым лучом, для этого необходимо:

- установить ПЭП на поверхность контролируемого объекта вблизи торца, направить луч ультразвука в нижний угол и получить максимальный импульс на экране (рисунок 161);

- измерить при помощи линейки координату Х ₀ с точностью до 0,5 мм;

- измерить штангенциркулем максимальную ширину сварного шва на ОК (b);

Рисунок 162 – Прозвучивание сварного шва одно- и двукратнымлучом

- подсчитать расстояние Х _min = n + b /2 и сравнить полученное значение с Х ₀ (рисунок 161).

Если Х ₀ < Х _min, то прозвучивание прямым лучом невозможно, поэтому необходимо заменить выбранный ПЭП на другой, где меньше стрела или больше угол ввода α. Если невозможно подобрать ПЭП, где меньше стрела или больше угол ввода α, то для данного контролируемого объекта применяют схему прозвучивания одно- и двукратно отраженными лучами (рисунок 162) и, соответственно, изменяют методику настройки дефектоскопа.

Угол ввода луча ПЭП – угол между нормалью к поверхности ввода и акустической осью, направленной на цилиндрический отражатель диаметром 6 мм на глубине 44 мм при установке ПЭП в положение, при котором амплитуда от отражателя наибольшая. Определяется по образцам СО-2, СО-3Р. Угол ввода отсчитывают по шкале α? против метки точки выхода луча.

Измеренный угол ввода должен соответствовать номинальному углу ввода, указанному в маркировке ПЭП с допуском ± 2? для преобразователей с углом ввода 40º-55º, для ПЭП с углом ввода 65º, 70º допуск составляет (–2º).

В процессе контроля возможны изменения угла ввода ПЭП, вызванные:

- изменением угла призмы β вследствие ее истирания;

- изменением скорости распространения колебаний вследствие понижения или повы­шения температуры призмы ПЭП и металла. Чем выше температура, тем больше угол ввода.

Скорость ультразвуковых волн с увеличением температуры уменьшается одновременно в контролируемом изделии и в призме ПЭП, но в пластмассе уменьшение скорости больше, поэтому согласно закону Снеллиуса (угол ввода зависит от соотношения скоростей УЗВ в оргстекле и стали), с увеличением температуры, угол ввода увеличивается. Это явление тем заметнее, чем больше угол ввода. При изменении температуры окружающего воздуха на ± 10? необходимо произвести перенастройку прибора с измерением угла ввода при температуре, при которой ведется контроль;

- изменением положения призмы, приводящего к непараллельности ее рабочей плос­кости и поверхности материала (приподнятие призмы над контролируемым изделием).

Если плоскость основания призмы не па­раллельна поверхности металла, то угол вво­да зависит от акустических свойств контак­тирующей среды и величины угла φ между плоскостью призмы и поверхностью металла. Например,для случаяввода УЗК в сталь через воду ПЭП с углом ввода 65° – изменение угла ввода, вызывае­мое подъемом призмы на 1°, приводит к изменению угла ввода на 6°. Чем больше угол ввода ПЭП, тем больше изменение угла ввода из-за приподнятия вставки;

- угол ввода уменьшается с увеличением глубины залегания отражателя.

Данное явлениесвязано с коэффициентом затухания в контролируемом материале. Уже на глубине залегания отражателя свыше 100 мм наблюдается смещение максимума амплитуды эхо-сигнала от отражателя. Чтобы учесть явление уменьшения угла ввода с увеличением глубины залегания отражателя и повысить точность измерения координат дефектов рекомендуется при толщине изделия 100 мм и более определять угол ввода и настраивать дефектоскоп по СОП с увеличенной глубиной залегания отражателя;

Рисунок 163 – а) угловое отклонение и б) параллельное смещение акустической оси относительно оси корпуса

- угловое отклонение δ и параллельное смещение z луча относительно оси корпуса.

Центральный луч ультразвукового пучка может незначительно отклоняться от оси корпуса ПЭП из-за допуска на изготовление (рисунок 163).

Чувствительностью называется параметр контроля, определяющий возможность выявления отражателей минимального заданного размера. По способу задания различают следующие виды чувствительности.

Эквивалентной называется чувствительность, характеризуемая минимальными размерами искусственного отражателя определен­ной формы и ориентации, который еще обнаруживается на задан­ной глубине в изделии при данной настройке дефектоскопа. Например, если чувствительность задана размерами зарубки или ци­линдрического отражателя, то ее называют эквивалентной.

Если в качестве искусственного отражателя используют торец отверс­тия с плоским дном, то получают частный случай эквивалентной чувстви­тельности – предельную чувствительность. Предельная чувствительность характеризуется минимальной площадью отверстия с плоским дном, ориентированным перпенди­кулярно акустической оси ПЭП, которое еще регистрируется на за­данной глубине в изделии при данной настройке дефектоскопа.

Условной называется чувствительность, характеризуемая разме­рами и глубиной залегания выявляемых искусственных отражате­лей, выполненных в образце из материала с определенными акусти­ческими свойствами.

Условная чувствительность, в дБ, по стандартному образцу СО-3Р выража­ется разностью между показанием аттенюатора при данной настройке дефектоскопа и показанием, при котором цилиндрическое отверстие диамет­ром 6 мм на глубине 44 мм фиксируется индикаторами дефектоскопа.

Понятие «условная чувствительность» было введено в связи с желани­ем иметь простой и надежный способ задания чувствительности, воспро­изводимой с высокой точностью любым дефектоскопистом в любой точке страны. Достаточным условием для этого является наличие стандартного образца СО-2, СО-3Р и дефектоскопа с аттенюатором, градуированным в децибелах.

Общим для всех трех способов задания чувствительности являет­ся то, что речь идет о воспроизведении данной настройки дефектоскопа. Принципиальная разница заключается в том, что эквивалентная и предель­ная чувствительности учитывают акустические характеристики (в первую очередь – затухание) объекта контроля, а условная чувствительность не связана с ними.

И, наконец, когда хотят поставить вопрос о фактических размерах неспошностей, выявляемых при контроле, то говорят о реальной чувствитель­ности.

Реальная чувствительность характеризуется минимальными размерами реальных несплошностей конкретного типа, выявляемых в объектах конкретного вида на заданной глубине данными средствами контроля при заданных параметрах контроля и схеме прозвучивания. Она может быть определена в результате статистической обработки данных контроля и металлографических исследований большой серии объ­ектов этого вида. Реальная чувствительность может служить основанием для оценки эффективности контроля.

Уровнем чувствительности называется количественная характеристика чувствительности, связанная с ее функциональным назначением.

Понятие уровней чувствительности широко используется в практической дефектоскопии. Необходимый уровень чувствительности устанавливается органами регулировки дефектоскопа и зависит от акустических свойств контролируемого изделия. Для того, чтобы результаты контроля были достоверны, поиск несплошностей, регистрация и оценка их допустимости должны производиться на строго определенных уровнях чувствительности. Различают следующие уровни чувствительности: опорный, браковочный, контрольный, поисковый.

Опорным называется уровень чувствительности, при котором эхо-сигнал от искусственного или естественного отражателя в образ­це из материала с определенными акустическими свойствами или в контролируемом изделии имеет заданную высоту на экране дефек­тоскопа. Отражатель, который используется при установке опор­ного уровня, также называется опорным.

Например, при настройке чувствительности используют эхо-сиг­нал от цилиндрического отверстия диаметром 6 мм в стандартном образце СО-3Р. Уровень чувствительности, установленный при этом, называют опорным, а отверстие – опорным отражателем.

Браковочным называется уровень чувствительности, при котором производится оценка допустимости несплошности по амплитуде эхо-сигнала. В отечественных нормативных документах браковочный уровень обыч­но задают максимальным эквивалентным размером отражателя или ампли­тудой сигнала от максимального отражателя, допустимого по техническим условиям на данное изделие.

Контрольным называется уровень чувствительности, при котором производится регистрация несплошностей и оценка их допустимос­ти по условным размерам и количеству. Этот уровень чувствительности называют также уровнем фиксации или уровнем регистрации. Во многих случаях на кон­трольном уровне чувствительности фиксируют непротяженные несплош­ности. Обычно контрольный уровень ниже браковочного не менее чем на 6 дБ (т.е. усиление дефектоскопа выше на 6 дБ, чем при установке браковочного уровня).

Поисковым называется уровень чувствительности, устанавливае­мый на дефектоскопе при поиске дефектов.

Обычно поисковый уровень ниже контрольного уровня не менее чем на 6 дБ (т.е. усиление дефектоскопа выше на 6дБ, чем при установке контрольного уровня). Необходимость установления поискового уровня чувствительности связа­на с тем, что в динамическом режиме (при перемещении ПЭП) ухудшается акустический контакт ПЭП с изделием, следовательно, через границу раз­дела проходит меньшее количество звуковой энергии, чем в статическом режиме. Кроме того, поиск дефектов производят с определенным шагом.

Это значит, что не всегда акустическая ось ПЭП проходит над центром от­ражателя (дефекта), следователь­но, не всегда в режиме поиска де­фект дает максимальный эхо-сиг­нал. Для компенсации этих потерь и увеличивают чувствительность при поиске. Излишнее увеличение чувствительности приводит к воз­растанию мертвой зоны и снижает производительность контроля в случае большого количества мел­ких несплошностей в связи с необ­ходимостью оценки эхо-сигналов от них.

Рисунок 164 – Изображение уровней чувствительности на экране дефектоскопа: Б – браковочный уровень; К – контрольный уровень; П – поисковый уровень.

На рисунке 164 на дисплей дефекто­скопа нанесены линии, показыва­ющие соотношение между контрольным, браковочным и поисковым уровнями чувствительности.

Поиско­вому уровню соответствует самая высокая чувствительность, то есть бу­дут выявляться несплошности, которые имеют отражающие свойства хуже, чем отражатель в образце, по которому производилась настройка опорного уровня чувствительности. Будет выявлено все, что даст эхо-сигнал, достигший или превысивший линию поискового уровня.

Браковочному уровню соответствует самая низкая чувствительность, это­го уровня достигают эхо-сигналы от крупных несплошностей, отражающая способность которых равна или превосходит отражающую способность контрольного отражателя, по которому производилась настройка.

При настройке дефектоскопа на чувствительность при помощи отверстия диаметром 6 мм в стандартном образце СО-2, СО-3Р, пользуемся понятием условной чувствительности.

В дефектоскопах РДМ-22, 33 при установке уровня условной чувствительности будем пользоваться терминами: опорный уровень чувствительности; поисковый уровень чувствительности, на котором производится регистрация несплошностей и оценка их допустимос­ти по условным размерам.

Точность работы глубиномера, калиброванного в единицах времени, при работе с прямым ПЭП характеризуется относительной погрешностью измерения интервала времени между моментом излучения зондирующего импульса и моментом приема его отражения и последующими отражениями от донной поверхности. Погрешность измерения точности работы глубиномера должна составлять 20±1 мкс. При отсутствии стандартных образцов точность работы глубиномера может быть проверена по любому образцу, скорость и размеры которого известны. В СО-1 обычно фиксируют не менее двух донных эхо-сигналов, в СО-2, СО-3Р – не менее пяти (рисунок 165).

Точность работы глубиномера, калиброванного в мм, проверяют на образцах СО-2, СО-3Р в направлении стрелки 20 мкс по толщине образца, равной 59 мм (60 мм для образцов старого типа) при работе с прямым ПЭП; при работе с наклонным ПЭП – по глубине залегания отверстия диаметром 6 мм. Погрешность измерения точности работы глубиномера должна составлять 59 мм ±1 (+0,5 для цифровых приборов) с прямым ПЭП, при работе с наклонным ПЭП – 42 мм±2 (рисунок 165).

Рисунок 165 – Проверка точности работы глубиномера

Точность работы глубиномера зависит от:

- правильности измерения интервалов (в мкс или мм) между зондирующим импульсом и его отражением, и последующими отражениями от донной поверхности при работе с прямым ПЭП;

- правильности определения наклонным ПЭП положения, в котором достигается максимальный эхо-импульс от отверстия диаметром 6 мм;

- соответствия фактической скорости ультразвука установленной в дефектоскопе;

- правильности определения точки выхода ПЭП у наклонных ПЭП;

- правильности установки нуля отсчета расстояний (отсечки времени пробега УЗК в призме 2 t _п у наклонных и прямых РС ПЭП);

- соответствия фактического угла ввода принятому значению при работе с наклонным ПЭП.

Дефектоскоп измеряет изначально время пробега t УЗКпо кратчайшему пути до отражателя, затем пересчитывает в кратчайшее расстояние r по ходу луча r – для наклонного искателя, r – для прямого РС искателя,

где t – интервал времени между моментом излучения зондирующего импульса и моментом приема отраженного импульса;

t_n – время прохождения ультразвука через призму ПЭП;

2 – учитывает, что импульс пробегает путь в прямом и обратном направлении.

Таким образом, если время задержки УЗК в призме ПЭП не отсечь от общего времени хода луча до отражателя и обратно, то точность измерения глубиномера будет иметь погрешность на величину 2 t _п.

Рисунок 166 – К понятию мертвой зоны: З-зондирующий импульс, Д-донная поверхность, д-дефект

Мертвая зона – область контролируемого изделия, прилегающая к контактной поверхности, дефекты в которой не выявляются при заданной условной чувствительности дефектоскопа с ПЭП. Мерт­вая зона у совмещенных ПЭП составляет от 3 до10 мм. Значение мертвой зоны приближенно равно. При контроле эхо-методом на вход приемно-усилительного тракта кроме эхо-сигналов от дефектов поступает электрический импульс от генератора зондирующих импульсов. Если дефект расположен в зоне под поверхностью так, что эхо-сигнал от него возвращается раньше, чем окончилось излучение генератора, то дефект обнаружен не будет (рисунок 166).

Размер мертвой зоны при контроле прямым и наклонным ПЭП зависит от:

- длительности электрического импульса, поступающего на пьезопластину с генератора зондирующих импульсов. С увеличением частоты длительность электрического импульса (τ_и измеряется количеством периодов в нем) уменьшается;

- конструкции и характеристик преобразователя: степень демпфирования пьезоэлемента влияет на длительность его свободных колебаний τ_с после окончания воздействия электрического импульса;

Рисунок 167 – Возникновения ревербераци- онных помех в призме ПЭП

- уровня реверберационных шумов ПЭП, т.е помех преобразователя – многократных отражений зондирующего импульса в пьезопластине, призме, протекторе. Для сокращения мертвой зоны улучшают конструкцию преобразователей – подбирают материал и форму демпфера такими, чтобы не возникали ложные сигналы от его поверхности, противоположной пластине, у наклонных ПЭП призму конструируют так, чтобы не возникали сигналы помех в результате отражений волн от поверхностей. Например, помеха может появиться в результате отражения излученной пьезопластиной продольной волны от угла Д призмы (рисунок 167), если сделать слишком малой стрелу преобразователя ОД.

Если сделать малым путь в призме О ^/ О, то помехи возникнут в результате отражения волн от контактной поверхности призмы и попадания их на пьезопластину.

Рисунок 168– Мертвая зона при контроле прямым и наклонным ПЭП

Также для сокращения реверберационных помех применяют РС ПЭП, у которых мертвая зона составляет до 3 мм. У РС ПЭП мертвая зона возникает в результате прохождения зондирующего импульса от излучателя к приемнику. С увеличением частоты и габаритов призмы падает уровень реверберационных шумов и уменьшается размер мертвой зоны. У прямого РС ПЭП, применяемого в рельсовой дефектоскопии, мертвой зоны нет из-за улучшенной конструкции ПЭП;

- угла ввода. Чем больше угол ввода, тем меньше мертвая зона М (рисунок 168);

- чувствительности, при которой производят контроль. Чем выше чувствительность, тем меньше мертвая зона.

Мертвую зону при контроле наклонным ПЭП характеризуют минимальной глубиной расположения цилиндрического от­ражателя диаметром 2 мм в СО-3Р, эхо-сигналы от которого можно отличить от зондирующего импульса и шумов, возвращающихся из призмы (рисунок 169).

Таблица 5 – Мертвая зона наклонного ПЭП

Угол ввода α	М, мм
40, 42, 45
65, 70

Рисунок 169 – Проверка мертвой зоны при контроле наклонным ПЭП

В зависимости от взаимного расположения несплошностей по отношению к направлению распространения ультразвука различают лучевую разрешающую способность и фронтальную разрешающую способность. В первом случае отражатели расположены вдоль луча, во втором – поперек.

Лучевая разрешающая способность Δr при контроле эхо-методом определяется минимальной разницей глубины залегания двух одинаковых отражателей, расположенных в непосредственной близости от акустической оси ПЭП, при которой возможно их раздельное выявление. Величина Δ r зависит от длительности зондирующего импульса и частоты. Обычно Δ r = 1,5λ.

Лучевую разрешающую способность главным образом определяет степень демпфирования ПЭП, которая влияет на длительность излучаемых ультразвуковых импульсов. Чем короче излучаемые УЗ-импульсы, тем выше лучевая разрешающая способность. С величиной разрешающей способности по дальности связана точность измерения дальности до дефекта (чем короче наблюдаемый на экране сигнал, тем легче и с большой точностью можно определить его местоположение на линии развертки, а, следовательно, и дальность до отражателя).

Лучевую способность (рисунок 170) оценивают по концентрическим отверстиям разного диаметра в СО-1 при работе с наклонным ПЭП и пазам разной глубины в СО-1 и СО-3Р при работе с прямым ПЭП. При этом если все три отражателя разрешаются, то на экране дефектоскопа наблюдаются три импульса, расстояние между которыми соответствует по стали 5,5 и 11 мм (соответственно для импульсов 1 и 2 и импульсов 2 и 3). Условием разрешения по лучу считается падение амплитуды между эхо-сигналами от двух близко расположенных отражателей более чем на 6 дБ (т.е. более чем в 2 раза).

Рисунок 170 – Проверка лучевой разрешающей способности

Достижение максимальной лучевой разрешающей способности ограничивается теми же факторами, что и достижение минимальной "мертвой" зоны. Сигнал от дефекта, расположенного ближе к преобразователю, действует подобно зондирующему импульсу и мешает выявлению дефекта, импульс которого приходит позднее.

Конечная величина лучевой разрешающей способности мешает иногда выявлению дефектов вблизи противоположной поверхности изделия на фоне интенсивного донного сигнала. В связи с этим у противоположной поверхности изделия имеется неконтролируемая зона (ее также иногда называют "мертвой"), величина которой, однако, в 2–3 раза меньше минимальной глубины прозвучивания.

Основным средством повышения лучевой разрешающей способности служит уменьшение длительности импульса. При контроле изделий большой толщины иногда бывает трудно разделить на экране два близко расположенных импульса. Это ограничение устраняют введением задержанной развертки.

Фронтальную разрешающую способность определяют минимальным расстоянием Δ l между одинаковыми по величине точечными раздельно выявляемыми дефектами, залегающими на одной глубине. Фронтальная разрешающая способность зависит от геометрических размеров пьезоэлемента, частоты (чем больше размеры пьезоэлемента и рабочая частота дефектоскопа, тем выше фронтальная разрешающая способность), а также от угла призмы (чем больше угол призмы, тем хуже фронтальная разрешающая способность).

Фронтальную разрешающую способность определяют на образце с двумя отражателями, расположенными на одинаковой глубине (рисунок 171). В качестве отражателей могут быть как плоскодонные отверстия, так и другие отражатели, например, пазы или боковые цилиндрические отверстия, расположенные параллельно поверхности сканирования. Для определения фронтальной разрешающей способности располагают ПЭП над одним из отражателей, посредством сканирования находят максимум эхосигнала от него с амплитудой А 1.

Затем перемещают ПЭП в сторону другого отражателя до получения максимального эхосигнала от него с амплитудой А 2. В процессе перемещения ПЭП от одного отражателя к другому амплитуда сигнала проходит через минимальное значение А 3 (когда ПЭП расположен между отражателями). Если разность между меньшей из амплитуд А 1 и А 2 и амплитудой А 3 равна или превышает 6 дБ, то два отражателя различаются. Наименьшее расстояние между отражателями, допускающее такое различение, и будет являться фронтальной разрешающей способностью. 

Рисунок 171 – К оценке фронтальной разрешающей способности

Для улучшения фронтальной разрешающей способности в дальней зоне следует улучшать направленность преобразователя путем увеличения его диаметра и частоты. В ближней зоне целесообразно применение фокусирующих преобразователей.