Измерение скорости распространения ультразвука и ультразвуковая аппаратура. Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн

21.09.2019

Сколько стоит написать твою работу?

Выберите тип работы Дипломная работа (бакалавр/специалист) Часть дипломной работы Магистерский диплом Курсовая с практикой Курсовая теория Реферат Эссе Контрольная работа Задачи Аттестационная работа (ВАР/ВКР) Бизнес-план Вопросы к экзамену Диплом МВА Дипломная работа (колледж/техникум) Другое Кейсы Лабораторная работа, РГР Он-лайн помощь Отчет о практике Поиск информации Презентация в PowerPoint Реферат для аспирантуры Сопроводительные материалы к диплому Статья Тест Чертежи далее »

Введение

Современная диагностика состояния конструкционных материалов, располагающая большим арсеналом различных физических методов и средств, уже не ограничивается задачами дефектоскопии, но все более широко используется при решении задач определения механических характеристик материалов, причем основное место здесь занимают методы и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений.

В связи с этим обстоятельством на первый план выходят методы технической диагностики, сочетающие механику разрушений, металловедения и неразрушающего контроля. К таким методам относятся, в первую очередь, методы контроля напряженно-деформированного состояния.

Одним из представителей такого рода конструкций можно считать ВЛЭП, а вернее протянутые между вышками тросы. За годовой цикл они могут испытать перепады температур от -50 до +50 градусов, при этом на них воздействуют различные виды деформаций: растяжение, сжатие, кручение и другие. Это все может привести к колоссальным потерям.

Подъемная техника используется во многих областях жизнедеятельности человека. В нашем повседневном быту мы используем лифты, при строительстве используем краны, в метро нас спускает эскалатор, где основная часть нагрузки приходиться на проволоки и тросы.

Еще одним из примеров, где проводят оценку напряженно-деформированного состояния, является трубопроводные обвязки. Подвижки грунта, а также нарушение технологии в ходе ремонтных работ могут привести к значительным отклонениям положения трубопроводных обвязок основного оборудования газоперекачивающих компрессорных станций от начального проектного положения. Таким образом, кроме проектных нагрузок, таких как внутреннее расчетное давление, собственный вес труб и арматуры и давление грунта на подземную часть, на трубопроводных обвязках могут действовать напряжения, вызванные деформацией вследствие непроектных смещений обвязки. Данные нагрузки не учитываются проектом и, как показывает практика расчетов, порой даже не очень значительные смещения от проектного положения (на 4-10 мм) могут привести к превышению напряжениями предельно допустимых значений . Это, в свою очередь, ведет к увеличению риска зарождения и развития в зонах действия повышенных напряжений опасных трещиноподобных дефектов.

Существуют различные методы измерения механических напряжений:

рентгеновское определение напряжений – деформацию определяют по изменению межплоскостных расстояний напряженного кристаллита;

тензорезистор – принцип измерения состоит в том, что при деформации изменяется его активное сопротивление;

магнитоанизотропный – определения механических напряжений по величине магнитной анизотропии, вызываемой напряжениями в изотропном ферромагнитном материале;

оптический метод определения внутренних напряжений – при прохождении света в оптически прозрачных материалах возникает двойное лучепреломление, величина которого характеризует степень напряженного состояния контролируемого объекта;

акустическая тензометрия – основана на регистрации изменения скорости распространения упругих волн под влиянием напряжений.

Под действием циклических нагружений микродефекты перерастают в трещины, и их концентрация становится опасной для дальнейшей эксплуатации. Большинство методов позволяет выявить только наличие достаточно крупных трещин. Однако гораздо важнее распознать более раннюю стадию накопления дефектности – образование микротрещин.

Одним из способов решение этой задачи является метод, основанный на регистрации изменения скорости распространения упругих волн под влиянием механических напряжений.

Распространение упругих колебаний в ограниченном объеме по сравнению с безграничной средой налагает на волновой процесс дополнительные условия, которые обычно сводятся к равенству нулю давления на свободных поверхностях или к равенству нулю скорости на абсолютно жестких поверхностях. При этом волновые уравнения колебаний тел ограниченной формы всегда имеют общую структуру: один член уравнения содержит вторую производную по времени смещения, а другой – комбинацию пространственных производных, умноженных на коэффициент, определяемый упругими свойствами и плотностью тела.

Строгое решение уравнений, описывающих колебания тел ограниченной формы с учетом всех граничных условий, особенно в случае твердых тел, в которых связаны три составляющих смещений и шесть составляющих напряжений, часто наталкивается на непреодолимые математические трудности. Поэтому обычно используют определенные упрощения на основе преимущественного характера соотношений между деформациями и смещениями. Это позволяет свести любой сложный волновой процесс к суперпозиции элементарных нормальных волн.

1. Связь скорости ультразвука с механическими напряжениями

1.1 Акустотензометрия

Тензометрия – измерение напряжений и деформаций в твердых телах. Акустическая тензометрия основана на явлении акустоупругости которое заключается в изменении скорости распространения упругих волн под влиянием напряжений.

Упругая деформация твердых тел описывается законом Гука .

Рис. 1. Диаграмма растяжения твердого тела

Модуль Юнга характеризует упругие свойства твердых тел при деформации растяжения – сжатия. Он численно равен величине напряжения, которое вызывает изменение длины образца вдвое, если деформация при этом остается упругой. С другой стороны, модуль Юнга можно понимать как величину, численно равную объемной энергии деформации при удвоении размеров образца. Закон Гука справедлив лишь для идеально упругих тел. Для реальных же тел наблюдаются различные отклонения от этого закона. На рис. 1. представлена характерная диаграмма растяжения твердого тела. Строгая пропорциональность между относительным удлинением и напряжением наблюдается лишь при сравнительно небольших нагрузках, на участке 0А.

Максимальное напряжение sп, при котором еще выполняется закон Гука, называется пределом пропорциональности.

Максимальное напряжение sуп, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация не превышает 0,1%), называется пределом упругости. Ему соответствует точка В на диаграмме деформации.

Предел текучести – это напряжение, которое характеризует такое состояние деформируемого тела, после которого удлинение возрастает без увеличения действующей силы (горизонтальный участок ВС).

Пределом прочности sпр (точка D) называется напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой телом перед разрушением.

Отклонения от закона Гука в области напряжений, не превосходящих предела упругости, объединяются общим понятием неупругости. Проявлением неупругости являются, например, упругие последействия и упругий гистерезис, подлежащий экспериментальному наблюдению в данной работе.

Явление упругого последействия заключается в изменении со временем деформационного состояния при неизменной величине напряжения. В этом случае после приложения нагрузки к образцу деформация возникает не мгновенно, а продолжает увеличиваться с течением времени (прямое упругое последействие); также и после снятия нагрузки: деформация образца исчезает не мгновенно, а продолжает уменьшаться во времени (обратное упругое последействие).

Закон Гука, согласно которому напряжение б и деформация е пропорциональны, выполняется приближенно. Более точная зависимость имеет вид степенного ряда.

Степени выше второй не учитывают. Это выражение следует понимать как упрощенное, не учитывающее наличия и взаимодействия деформаций разного типа. Коэффициенты типа С1 называют упругими постоянными или модулями упругости, а коэффициенты типа С2 (в изотропном твердом теле их три) обычно называют коэффициентами Мурнагана или другими терминами. В вопрос рассматривается упрощенно и показано, что

Таким образом, изменение скорости пропорционально напряжению или деформации в контролируемом объекте. Связь между ними определяется акустоупругим коэффициентом. При деформации растяжения скорость уменьшается, а при деформации сжатия – увеличивается. В области пластических деформаций скорость остается практически постоянной. Измерение абсолютных значений скорости с необходимой точностью – трудная задача. Она облегчается тем, что обычно требуется измерить не абсолютную величину, а изменение скорости под влиянием приложенных напряжении (как и в других вариантах тензометрии). Важное достоинство акустической тензометрии – измерение напряжений не только на поверхности, но также внутри ОК.

Определение напряжений в материалах, обладающих собственной анизотропией, требует учета реальной скорости звука в направлении измеряемых напряжений. Например, текстура, возникающая при прокатке дюралюминия Д16, может вызвать изменение скорости по разным направлениям до 0,26%, а изменение скорости под влиянием напряжений – порядка 0,08%; для стали 45 соответственно 0,64% и 0,04%.

Явление динамической акустоупругости заключается в воздействии на ОК переменного поля напряжений скорость ультразвука под их воздействием изменяется приблизительно так же, как в стационарном режиме. Следовательно явление может быть использовано для контроля переменных напряжений. В представлены данные о величине акустоупругого взаимодействия в зависимости от направления приложенного напряжения (рис 2).

Рис. 2. Относительные изменении скорости под влиянием приложенных напряжений: о – измерения непрерывными волнами методом прохождения; – импульсные измерения эхо-методом

Теорию акустоупругого взаимодействия с логарифмической формой представления конечной деформации считают перспективной. Изменение скорости под влиянием напряжений очень мало, измерениям сильно мешают температурные эффекты, микронеоднородности, текстура. Схемы выполнявшихся экспериментов показаны на рис. 3.

В качестве образцов использовали алюминево-магниевый сплав, технический алюминиевый сплав и оптическое стекло. Для них измерены акустоупругие коэффициенты. Измерения выполняли импульсным методом с учетом изменения фазы импульса и методом непрерывных волн с наложением модуляции. Точность первого метода была на 10% выше, результаты показаны на (рис. 4).

Рис. 4. Относительные изменения скорости дс/с в зависимости от деформаций для вариантов, показанных на рис. 3

Применительно к сталям У8 и ШХI 5 установлено, что амплитуда сигнала, возбуждаемого ЭМА-преобразователем, однозначно и практически линейно уменьшается с увеличением микроискажений кристаллической решетки (е), характеризующих микронапряжения. Значение (е) измеряли рентгеноструктурным методом. Уменьшается также резонансная частота колебаний образца, возбуждаемого ЭМА способом, но в значительно меньшей степени.

Обнаруженный эффект дает возможность использовать ЭМА-преобразование для оценки внутренних напряжений при термической обработке углеродистых и слаболегировынных сталей. Это тем более важно, что эффект проявляется при температурах отпуска 200… 600 град. где магнитные и электрические методы контроля неэффективны.

В таблице , в которой приведены скорости звука в различных лег сталях в разных состояниях обработки, различия в обеих скоростях звука составляют менее 5%. По влиянию легирующих элементов никакой систематики не усматривается, однако со стояния обработки (отжиг, закалка, термическое улучшение, холодная деформация) сказываются на скорости звука гораздо сильнее, чем легирующие элементы. Как правило, обе скорости звука под влиянием легирующих примесей уменьшаются; обычно это относится и к затуханию звука. Отклоненными от величины с 5,93 км/с для многих практических целей можно пренебречь, но в случае точного измерения толщины стенки это недопустимо. Между тем отклонение поперечной скорости звука на 1% уже приводит к изменению угла преломления на 1,5° при его исходном значении 70°. Следовательно, в критических случаях, например при предельном угле для поверхностных или головных волн, это отклонение нужно учитывать. В таком случае определенную роль играет и уменьшение скорости звука с температурой .

Термическая или механическая обработка металла приводит к перестройке структуры и появлению микродефектов. Например, в процессе усталостных испытаний изменяется дислокационная структура и накапливаются усталостные повреждения. Следователь но, есть основания ожидать изменений скорости ультразвука при механических нагружениях. Напряжения акустических колебаний, используемые в ультразвуковых измерениях, значительно меньше напряжений трения, поэтому скорость ультразвука может характеризовать перестроение и закрепление дислокаций, возникновение микропор в процессе циклических нагружений. Кривые изменения модуля упругости в процессе усталости представляют собой как бы зеркальное отображение аналогичных кривых внутреннего трения. Как правило, моменту появления микротрещин усталости соответствует одновременное заметное увеличение внутреннего трения и уменьшение модуля упругости. Перераспределение примесных атомов в металле может быть зарегистрировано по скорости ультразвука. Единственной физической характеристикой, которая изменяется (растет) вместе с развитием отпускной хрупкости, является внутреннее трение.

1.2 Усталостные микроповреждения

Металлические конструкции и детали машин в процессе эксплуатации подвергаются действию переменных во времени механических нагрузок, которые могут стать причиной усталостных изменений структуры металла и накопления микродефектов, а следовательно, образования макродефектов, зарождения трещин и разрушения изделия. Для обнаружения микротрещин можно воспользоваться методом, основанным на изменении скорости звука в металле в зависимости от структуры и накопления микродефектов при эксплуатации под воздействием циклически меняющихся нагрузок и температуры. Определяя закономерности кинетики накопления микродефектов в металле при усталостном нагружении, можно установить порог, выше которого формируются опасные для дальнейшей эксплуатации трещины.

Скорость распространения ультразвука измеряли по принципу автоциркуляции импульсов. Исследования зависимости скорости ультразвука от различных параметров усталостных испытаний выполняли на плоских образцах из стали 45. Предварительная термическая обработка образцов состояла из нагрева при 870 гр. в течение 0,5 ч и охлаждения на воздухе. Образцы циклически нагружали в нулевом цикле напряжений (R=0) при двух температурах: 20 и 200 гр. с частотой цикла 5 Гц и уровнями максимальных напряжений цикла 320, 400 и 550 МПа. Число циклов доводили до 10е5.

Рис. 5. Кривая усталости для исследованной стали с коэффициентом асимметрии R=0 (б) (N – количество циклов)

Скорость звука измеряли до и после приложения нагрузок. Часть образцов испытали до разрушения методом малоцикловой усталости. Скорость поверхностных волн измеряли периодически, по мере возрастания числа наработанных циклов N. Согласно (рис. 5) с ростом числа циклов, уровня циклических напряжений и температуры испытаний скорость волн в образце уменьшается.

Выяснилось , что практически все структурные изменения, вызванные термической обработкой или деформацией, приводят к малым, но измеримым изменениям СУЗ. Перспективным оказалось применение методики измерения СУЗ для диагностики материала при усталостном нагружении. На рис. 6. представлены данные о изменении СУЗ в ходе усталостного испытания образцов из стали 45 по схеме изгибных колебаний. Аналогичные зависимости были получены и для образцов из рельсовой стали М76. Измерения, проведенные методом автоциркуляции звуковых импульсов на несущей частоте 2.5 МГц с помощью прибора ИСП-12 , указывают на качественно одинаковый для всех испытанных образцов вид зависимости скорости поперечных ультразвуковых волн от числа циклов нагружения n. Во всех случаях Vt (n) состоит из трех последовательных стадий снижения СУЗ, но уровень и темп количественных изменений для каждого конкретного образца индивидуален (рис. 6). Характерно, что трехстадийная кинетика изменения некоторых свойств металлов при усталостных испытаниях отмечалась и при использовании других методик.

Рис. 6. Относительное изменение СУЗ в ходе усталостных испытаний образцов из стали 45

Понимание существа процессов, ответственных за подобную стадийность кривых, достигается при микроструктурном анализе металла, подвергнутого усталостным испытаниям. Оказывается, на стадиях 1 и 2 в микроструктуре еще практически незаметны какие-либо изменения, но по мере приближения стадии 3 появляются следы пластической деформации, а сразу после начала крутого спада зависимости Vt (n) отмечены признаки разрушения в виде микротрещин размером ≥ 0.01 мм. Таким образом, есть надежные основания считать, что переход к стадии 3 зависимости СУЗ от числа циклов нагружения сигнализирует о приближении катастрофической стадии усталости и исчерпании ресурса изделия.

Рис. 7. Зависимость изменения СУЗ на 1 цикл испытания от числа циклов

Таким образом, способ измерения скорости распространения ультразвукового импульса позволяет достаточно уверенно диагностировать накопление дефектов при усталостном нагружении и регистрировать переход от стадии нормальной эксплуатации к стадии предразрушения.

Представляется, что подобный вид зависимости Vt (n) может быть полезен для объяснения известного в теории надежности U – образного характера зависимости интенсивности отказов (их числа в единицу времени) от времени эксплуатации t. Действительно, U – образной является показанная на рис. 7. зависимость dVt /dn от n (очевидно, n – t), построенная по данным рис 6: в терминах теории надежности, ее начальный этап соответствует приработочным отказам, стадия медленного спада СУЗ – периоду внезапных отказов (нормальная эксплуатация), а быстрый спад СУЗ сигнализирует о переходе к наиболее опасному периоду износовых отказов.

2. Методы измерения скорости ультразвука

Изменение скорости распространения ультразвука в сплавах в зависимости от их структуры или термической обработки не превышает 3%. Следовательно, для изучения природы связи структуры и скорости распространения звука нужны ультразвуковые методы исследования с точностью лучше 0,05%, причем погрешность устройств для неразрушающего контроля по скорости распространения ультразвука не должна превышать 0,1%.

Резонансный метод, предназначенный для измерения малых изменений скорости распространения ультразвука, является, довольно точным, 0,05% и лучше. Такой метод легко реализуется экспериментально с помощью высокоточных промышленных приборов (генераторов ультразвуковых колебаний, частотомеров, милливольт метров). Поскольку в устройстве, реализующем данный метод, используются нетиповые пьезопреобразователи и образцы, необходимо оценить его точность.

Импульсные и автоциркуляционные методы пригодны как для промышленных, так и для исследовательских целей. Поскольку они могут быть реализованы с использованием поверхностных, например рэлеевских, волн практически исключается влияние на точность измерений формы и размеров образцов, свойственное резонансному методу, за счет жесткой фиксации расстояния между пьезопреобразователями.

2.1 Резонансный метод

Резонансный метод, основанный на смещении амплитудно-частотной характеристики ультразвукового сигнала, прошедшего через образец наиболее распространен в экспериментальных исследованиях . Заключается он в следующем. В образце возбуждают непрерывные ультразвуковые колебания, частоту которых плавно меняют в некотором диапазоне и измеряют зависимость амплитуды прошедшего сигнала от его частоты. При выполнении условия резонанса в исследуемой акустической системе, когда на длине образца укладывается целое число полуволн, амплитуда прошедшего сигнала достигает максимума, что соответствует резонансному пику на амплитудно-частотной характеристике. После термической обработки образца, изменяющей структуру и свойства, наблюдают смещение частот его резонансных пиков и судят об изменении скорости распространения ультразвуковых волн в металле.

На рис. 8 представлена блок-схема экспериментальной установки, реализующей резонансный метод. Непрерывные ультразвуковые колебания в образце возбуждаются пьезопреобразователем (ПЭП) из титаната бария с резонансной частотой 2,5 МГц, питаемым от генератора колебаний. Прошедший через образец акустический сигнал принимается другим аналогичным ПЭП, преобразующим акустические колебания в переменное напряжение той же частоты, измеряемое ламповым милливольтметром. Частота колебаний регистрируется электронно-счетным частотомером.

Рис. 8 Блок-схема ультра звуковой резонансной установки: 1 – частотомер Ч3–3З; 2 – генератор колебаний ГЗ (Г4 68); 3 – вода; 4 и б – излучающий и приемный пьезопреобразователи; 5 – цилиндрический образец; 7 – милливольт метр ВЗ-38; 8 – термометр

Для исключения влияния акустического контакта на результаты измерений образец вместе с преобразователями помещается в иммерсионную ванну, заполненную водой. Температура воды и соответственно образца измеряется термометром с точностью 0,1 К. Для акустических исследований резонансным методом наиболее удобны образцы в форме цилиндра диаметром 20–21 и длиной 80–90 мм с шероховатостью поверхности Rmax = 3,2 – 12,5 мкм. Их геометрические размеры можно контролировать с ошибкой 5 мкм микрометром и измерительным микроскопом. Для установления корреляций между резонансными ликами исследуемого образца после различных термообработок амплитудно-частотные зависимости необходимо снимать в диапазоне частот от 2,2 до 2,9 МГц, охватывающем не менее десяти резонансных ликов. Положение экстремальных точек этой зависимости определяется с ошибкой 0,1 кГц. На рис. 9. приведен участок амплитудно-частотной характеристики одного из образцов.

Рис. 9. Участок амплитудно-частотной характеристики одного из образцов

2.2 Импульсный метод

Выше описанный метод применим на практике лишь для контроля деталей, имеющих форму цилиндра с малым разбросом размеров. Кроме того, для резонансного метода сложна обработка результатов измерений. Устранить погрешность, связанную с размерным фактором, и упростить интерпретацию получаемых данных можно с помощью фиксации расстояния, проходимого ультразвуковой волной. А это возможно с применением поверхностных акустических волн, например рэлеевских. Очевидно, наиболее просто метод контроля с помощью этих волн можно реализовать импульсным методом возбуждения ультразвуковых колебаний. Использование импульсного сигнала позволяет применить жесткое, без демпфирующих прокладок, соединение пьезопреобразователей друг с другом и повысить тем самым точность измерений скорости звука по времени прохождения импульсом фиксированного расстояния между излучающим и приемным пьезопреобразователями. Рассмотрим работу импульсного прибора с осциллоскопической индикацией , его блок-схему и временные диаграммы. Принцип действия устройства заключается в следующем. Генератор импульсов (ГИ) формирует короткие импульсы амплитудой 35… 100 В, которые подаются на излучающий пьезопреобразователь В1. Ультразвуковой импульс проходит по образцу и через промежуток времени t достигает приемного пьезопреобразователя В2, где преобразуется в электрический импульс, который усиливается усилителем Ус и подается на вертикальный вход (Вх «У’) электронно-лучевого осциллографа ЭО. При постоянной скорости развертки положение импульса на экране зависит от времени прохождения ультразвуком расстояния между пьезопреобразователями и, следовательно, от скорости распространения ультразвука в образце. Запуск ждущей развертки осциллографа происходит не в момент формирования в блоке ГИ импульса, а по истечении промежутка времени t0 несколько меньшего времени t пробега ультразвуковым импульсом расстояния между пьезопреобразователями (рис. 10).

Рис. 10. Блок-схема импульсного прибора (а): ГИ – генератор импульсов; В1 и В2 – излучающий и приемный пьезопреобразователи; Об – образец (изделие); Ус (А1) – усилитель; БЭВ – блок задержки времени; ФИ – формирователь импульсов; Т – Трйггер; ГПН – генератор пилообразного напряжения; ПВ – пиковый (амплитудный) вольтметр, ЭО – электронно-лучевой осциллограф

Временная задержка сигнала осуществляется специальным блоком задержки времени (БЭВ), который запускается импульсом, поступающим с ГИ, и формирует прямоугольный импульс длительности t0. По окончании времени задержки на выходе БЗВ появляется импульс отрицательной полярности, преобразуемый формирователем импульсов (ФИ) в импульс положительной полярности, который подается на электронно-лучевой осциллограф и запускает генератор ждущей развертки. Введение блока задержки времени позволяет существенно увеличить скорость развертки и тем самым повысить точность измерений.

Если обозначить t’ время от момента включения развертки до появления на экране осциллографа импульса от приемного пьезопреобразователя, то время прохождения импульса по образцу

Расстояние х, проходимое лучом на экране осциллографа от момента запуска генератора развертки до прихода импульса с приемного пьезопреобразователя, будет

где V – скорость развертки. Но

где l – расстояние между излучающим и приемным пьезопреобразователями; Vr – скорость распространения ультразвука в образце.

Подставив (4.13) в уравнение (4.12), получим

Очевидно, точность измерения будет тем выше, чем больше х, но это значение не может превышать размеров экрана трубки осциллографа. При заданных размерах экрана большую точность можно получить, увеличивая скорость развертки V при уменьшении времени t’. Применение осциллографа С1–54 дает точность измерений до 0,2%.

2.3 Импульсно-фазовый метод

Импульсно-фазовый способ измерения скорости, обеспечивающий высокую точность измерения основан на компенсации акустического импульса, прошедшего ОК, и электрического импульса, прошедшего через емкостную связь во входную цепь приемника. Генератор высокой частоты 1 (рис. 11 а) вырабатывает непрерывные гармонические колебания, частота которых измеряется электронным частотомером 5. Из них блоком 2 формируются два сдвинутых относительно друг друга радиоимпульса

(рис. 12 6). длительность ч амплитуда У время задержки т и период повторения импульсов задаются модулятором б (рис. 12 а). с помощью пьезоэлектрических излучателя ИП и приемника ПП импульсы проходят как акустические колебания. Приемный тракт прибора 4 состоит из аттенюатора и усилителя. сигналы наблюдают на осциллографе 7.

Рис. 12. Измерение скорости импульсно-фазовым способом (а) и электрические колебания, используемые при измерении скорости импульсно-фазовым способом: I – непрерывные гармонические колебания генератора высокой частоты; II импульсы, вырабатываемые модулятором; III – электрические сигналы, создаваемые акустическими импульсами; IУ – электрические сигналы, прошедшие через емкость связи во входную цепь приемника (6)

Измерение скорости производится путем сравнения сигнала 1а, создаваемого акустическим импульсом, и сигнала 26, прошедшего через регулируемую емкость связи. Время задержки регулируют так, чтобы эти импульсы совместились. Регулировкой емкости и уменьшением амплитуды добиваются компенсации им пульсов на экране осциллоскопа. Частота генератора совпадает с частотой преобразователей, и измерения проводят в окрестностях этой частоты. Не приводя алгоритма довольно сложных настроек и измерений, отметим , что погрешность измерений прибора типа «Фонон» не более 0,1%, а воспроизводимость результатов – тысячные доли процента.

2.4 Метод автоциркуляции импульса

Импульсный прибор обладает хорошей помехозащищенностью, но для исследовательских целей точность его недостаточна. Кроме того, измерения по сетке на экране осциллографа довольно трудоемки. Расстояние между пьезопреобразователями должно быть не менее 100–150 мм. Однако многие детали не имеют таких площадок для установки пьезопреобразователей. Например, ширина сварочных швов паропроводов 20–30 мм, а для столь малых расстояний применение импульсного метода требует значительного уменьшения длительности вводимого в деталь ультразвукового им пульса, что технически осуществить весьма трудно.

При этом частота импульсов автоциркуляции зависит от времени пробега импульсом расстояния между пьезопреобразователями, а значит (при неизменном расстоянии между преобразователями), – от скорости распространения ультразвука в образце. Рассмотрим подробно вариант автоциркуляционного прибора (рис. 13).

Рис. 13. Блок-схема автоциркуляционного прибора

ГЗИ генератор запускающих импульсов; УсI импульсный усилитель; В1 и В2 – излучающий и приемный пьезопреобразователи; Об – образец (деталь); Ус2 - широкополосный усилитель; ФИI, ФИ2 – формирователь соответственно коротких и прямоугольных импульсов; Ч частотомер ЧЗ-З3; 51 – включатель; См – смеситель: ОГ генератор опорной частоты; ФНЧ – фильтр нижних частот; ИЧ – аналоговый измеритель частот.

Генератор запускающих импульсов ГЗИ подает импульсы на вход импульсного усилителя УсI, с выхода которого импульсы поступают на излучающий пьезопреобразователь В1. Прошедший по образцу ультразвуковой импульс возбуждает приемный пьезопреобразователь В2, электрический сигнал с которого поступает на вход широкополосного усилителя Ус2. Сигнал на выходе Ус2 представляет собой затухающие высокочастотные колебания. Из этого сигнала ФИ 1 формирует короткие импульсы, используемые для запуска ФИ2. Задача блока ФИ2 – формирование прямоугольных импульсов длительностью, несколько большей половины периода следования импульсов, чем устраняется опасность возникновения колебаний на кратных частотах. С выхода ФИ2 импульсы подаются на вход импульсного усилителя УсI, тем самым цепь автоциркуляции замыкается. После появления устойчивых колебаний генератор запускающих импульсов ГЗИ отключается выключателем $1. Частота следования импульсов измеряется цифровым частотомером (ЧЗ-33), вход которого подключается к выходу импульсного усилителя.

Малые габариты и масса, а также незначительное потребление энергии от источника питания дают возможность изготовить переносной вариант прибора, что требует применения малогабаритного частотомера, например аналогового, с использованием метода биений.

Данные испытания не только показали, что прибор устойчиво работает при малых, вплоть до 10… 15 мм, расстояниях между пьезопреобразователями, но и подтвердили его высокую помехоустойчивость и отсутствие акустической связи между пьезопреобразователями.

2.5 Гетеродинный метод

Гетеродинный способ основан на интерференции опорного (гетеродинного) сигнала и первого УЗ-импульса, прошедшего через ОК и буфер-звукопровод. Высокочастотный сигнал генератора 2 (рис. 14) модулируется прямоугольным импульсом от генератора 1 и через аттенюатор 8 поступает на осциллоскоп 10 (синхронизуемый генератором 1) в качестве опорного сигнала.

Рис. 14. Измерение скорости гетеродинным способом

Импульс от 2, усиленный в 4, возбуждает пьезопреобразователь 5, проходит через буфер 6, обеспечивающий временную задержку, ОК 7, принимается преобразователем 5’ и через широкополосный усилитель 9 также подается на осциллоскоп 10. Частота колебаний измеряется блоком 3.

Длительность импульса подбирается несколько большей времени его прохождения через буфер и ОК, так, чтобы опорный сигнал перекрывался и интерферировал с прошедшим импульсом. Изменяя частоту генератора 2, можно добиться то го, чтобы оба сигнала находились в противофазе, тогда на экране можно добиться их взаимного гашения.

2.5 Метод измерения углов отражения и преломления ультразвуковых волн на границе двух сред

скорость ультразвук анизотропия напряжение

Особенно удобно измерение критических углов, при которых одна из преломленных или отраженных волн определенного типа распространяется вдоль поверхности. Критический угол определяется в основном соотношением скоростей распространения волн в двух средах. Однако на отражение и преломление упругих волн также влияет затухание ультразвука, а величина критических углов определяется одновременно скоростью продольных и поперечных волн. Это открывает возможность комбинированного измерения скорости и затухания волн различных типов по измерению критических углов и коэффициента отражения.

Этот способ имеет ограниченное применение . Он пригоден только для материалов со сравнительно малым поглощением УЗК, и для проведения эксперимента требуется создать специальные условия (например, погрузить образец в жидкость).

Список литературы

– Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. «Скорость звука и структура сталей и сплавов», Новосибирск «Наука», 1996

– Неразрушающий контроль, т. 3, Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. – Ультразвуковой контроль, М. «Машиностроение», 2004

– Выборнов Б.И. «Ультразвуковая дефектоскопия», изд. второе, перераб. и дополн., М «Металлургия», 1985

– Ермолов И.Н. «Теория и практика ультразвукового контроля», М. «Машиностроение», 1981

– Общий физический практикум, Часть I, МЕХАНИКА

– Крауткремер Й., Крауткремер Г. – Ультразвуковой контроль материалов. Справочник, М. Металлургия, 1991

– Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия, 1987

– Агранат Б.А. Основы физики и техники ультразвука, М. Высшая школа, 1987

– Муравьев В.В. «Погрешности измерений при ультразвуковой структуроскопии», Дефектоскопия, 1988, №7

– Физическая акустика /под редакцией У. Мэзона.М. Мир.1966, т1, ч.А

– Л.Б. Зуев, В.Я. Целлермаер, В.Е. Громов, В.В. Муравьев Журнал технической физики, 1997, том 67, №9

– www.encotes (По материалам научно-технического семинара «Применение метода акустоупругости для измерения механических напряжений в изделиях и конструкциях», состоявшегося 19 мая 2005 года в рамках IV Международной выставки «NDT -2005»)

Размещено на

Похожие рефераты:

Физические основы ультразвукового неразрушающего контроля, природа и типы, параметры, затухание, отражение, преломление и трансформация волн. Технологические средства: дефектоскоп и стандартный образец предприятия. Проведения ультразвукового контроля.

Методы и необходимость совершенствования конструкции изделия РЭС. Сущность и порядок реализации электроэрозионной обработки материалов. Электрохимическая обработка, основанная на явлении анодного растворения. Ультразвуковые и лучевые методы обработки.

Изучение свойств материалов, установления величины предельных напряжений. Условный предел текучести. Механические характеристики материалов. Испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб хрупких материалов статической нагрузкой. Измерение деформаций.

Параметры радиоприемников. Повышенная помехоустойчивость. Структурная схема настройки и регулировки УНЧ. Детекторы и их настройка и регулировка. Частотный детектор. Регулировка и настройка цепи АРУ. Настройка и регулировка ВЧ тракта радиоприемников.

Акустическая эмиссия: ее основные параметры, понятия и определения. Методы выделения сигналов АЭ на фоне помех. Методика электролитического наводороживания металлических образцов. Назначение прибора АФ-15. Источники акустической эмиссии в металлах.

Основные свойства материалов

Зависимость работоспособности машин и агрегатов от свойств материалов. Прочность, твердость, триботехнические характеристики. Внедрение в материал более твердого тела – индентора. Температурные, электрические и магнитные характеристики материалов.

Возникновение вибраций при обработке резанием. Опасность резонансных режимов, наступающих при совпадении частоты собственных колебаний заготовки с частотой колебаний других звеньев технологической системы. Выбор технического ршения задачи.

Свойства материалов при расчетах на прочность, жесткость и устойчивость определяются механическими характеристиками. Испытания над материалами проводят на деформацию растяжения, сжатия, кручения, изгиба при действии статической или переменной нагрузок.

Телевизор рассчитан на прием телевизионных программ, передаваемых в метровом и дециметровом диапазонах по стандартам СЕКАМ D,K и ПАЛ D,K и выпускается с устройством ДУ.

Особенности и технология проектирования малогабаритного частотомера. Расчет надежности и резонансной частоты печатной платы и частот собственных колебаний пластины. Анализ нормативно-технической документации изделия и методы расчета теплового режима.

Контроль качества

Нахождение дефектов в изделии с помощью ультразвукового дефектоскопа. Визуально-оптический контроль сварных соединений на наличие дефектов. Методы капиллярной дефектоскопии: люминесцентный, цветной и люминесцентно-цветной. Магнитный метод контроля.

Ультразвуковая обработка поверхностей как одно из направлений существенного повышения производительности и качества механической обработки материалов. Изучение практического опыта применения ультразвука в процессах абразивной обработки и их шлифования.

Качественные и количественные методы исследования коррозии металлов и ее оценки. Определение характера и интенсивности коррозионного процесса с помощью качественного метода с применением индикаторов. Измерение скорости коррозии металла весовым методом.

Состав технических устройств контроля ГПС, распространенные средства прямого контроля с высокой точностью заготовок, деталей и инструмента. Модули контроля деталей вне станка. Характеристика и возможности координатно-измерительной машины КИМ-600.

Под устойчивостью понимают свойство стержня сохранять свою первоначальную форму равновесия под действием внешних и внутренних сил. Усталостное разрушение материала – длительный процесс, связанный с многократным нагружением и напряжением изделия.

Предпосылки для развития отрасли, выпускающей контрольно-измерительные приборы. Изобретения известных учёных в области измерительных приборов. Вольтметры и осциллографы, их назначение и области применения, классификация, принцип действия, конструкции.

Тензометрия - измерение напряжений и деформаций в твердых телах. Акустическая тензометрия основана на явлении акустоупругости которое заключается в изменении скорости распространения упругих волн под влиянием напряжений.

Упругая деформация твердых тел описывается законом Гука.

Рис. 1.

Модуль Юнга характеризует упругие свойства твердых тел при деформации растяжения - сжатия. Он численно равен величине напряжения, которое вызывает изменение длины образца вдвое, если деформация при этом остается упругой. С другой стороны, модуль Юнга можно понимать как величину, численно равную объемной энергии деформации при удвоении размеров образца. Закон Гука справедлив лишь для идеально упругих тел. Для реальных же тел наблюдаются различные отклонения от этого закона. На рис. 1. представлена характерная диаграмма растяжения твердого тела. Строгая пропорциональность между относительным удлинением и напряжением наблюдается лишь при сравнительно небольших нагрузках, на участке 0А.

Максимальное напряжение п , при котором еще выполняется закон Гука, называется пределом пропорциональности.

Максимальное напряжение уп , при котором еще не возникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация не превышает 0,1%), называется пределом упругости. Ему соответствует точка В на диаграмме деформации.

Предел текучести - это напряжение, которое характеризует такое состояние деформируемого тела, после которого удлинение возрастает без увеличения действующей силы (горизонтальный участок ВС).

Пределом прочности пр (точка D) называется напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой телом перед разрушением.

Таким образом, изменение скорости пропорционально напряжению или деформации в контролируемом объекте. Связь между ними определяется акустоупругим коэффициентом. При деформации растяжения скорость уменьшается, а при деформации сжатия - увеличивается. В области пластических деформаций скорость остается практически постоянной. Измерение абсолютных значений скорости с необходимой точностью - трудная задача. Она облегчается тем, что обычно требуется измерить не абсолютную величину, а изменение скорости под влиянием приложенных напряжении (как и в других вариантах тензометрии). Важное достоинство акустической тензометрии - измерение напряжений не только на поверхности, но также внутри ОК.

Определение напряжений в материалах, обладающих собственной анизотропией, требует учета реальной скорости звука в направлении измеряемых напряжений. Например, текстура, возникающая при прокатке дюралюминия Д16, может вызвать изменение скорости по разным направлениям до 0,26%, а изменение скорости под влиянием напряжений - порядка 0,08%; для стали 45 соответственно 0,64% и 0,04%.

Рис. 2. Относительные изменении скорости под влиянием приложенных напряжений: о - измерения непрерывными волнами методом прохождения; * - импульсные измерения эхо-методом

Рис.

Рис.

Открытое акционерное общество
Научно-исследовательский и конструкторский институт
химического машиностроения
ОАО «НИИХИММАШ»

СТО 00220256-014-2008

ИНСТРУКЦИЯ ПО УЛЬТРАЗВУКОВОМУ КОНТРОЛЮ СТЫКОВЫХ, УГЛОВЫХ
И ТАВРОВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ИЗ
СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО И АУСТЕНИТНО-ФЕРРИТНОГО КЛАССОВ С
ТОЛЩИНОЙ СТЕНКИ от 4 до 30 мм

ОАО «НИИХИММАШ»
Начальник отдела № 23, руководитель работы, к.т.н.		В.А. Бобров
Начальник сектора КД		Л.В. Орлова
Инженер-технолог 1 кат.		В.Д. Мищук
		В.В. Волокитин
Начальник отдела стандартизации и метрологии		А.В. Смирнов

ОАО «НИИХИММАШ»
2008

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. Разработан Открытым Акционерным Обществом «Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения», г. Москва

2. Взамен РД 26-01-128-2000

ОДОБРЕНО РОСТЕХНАДЗОРОМ

Письмо № 08-15/2296 от 17.06.09 г.

* Допускается контроль сварных соединений не упомянутых выше сталей аустенитного и аустенитно-ферритного классов, если они отвечают всем требованиям, изложенным в тексте настоящего СТО.

Доступными для контроля считаются сварные соединения, имеющие околошовную зону, позволяющую перемещать преобразователь в пределах, обеспечивающих прозвучивание всего сечения шва центральным лучом.

Стандарт не распространяется на контроль швов сварных соединений тангенциальных патрубков с корпусом или днищем, угловых сварных швов с укрепляющим кольцом, сварных соединений с конструктивным (остающимся) непроваром между свариваемыми деталями, на контроль швов, выполненных сваркой с одной стороны без подкладных колец (планок).

2. Нормативные ссылки

В настоящем документе использованы нормативные ссылки на следующие стандарты, классификаторы, правила и руководящие документы:

	Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением
	Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных
	Система неразрушающего контроля. Аттестация персонала.

	Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия.
	Сварка в химическом машиностроении. Основные положения.
	Сосуды и аппараты стальные сварные высокого давления. Контроль неразрушающий при изготовлении и эксплуатации.
	Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.
	Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные.
	Сертификация теплостойкой толсто-тонколистовой Сr и Cr-Ni нержавеющей стали и полосовой стали для изготовления аппаратов высокого давления (ASTM США).
	Дефектоскопы ультразвуковые. Методы измерения основных параметров.
	Инструкция по визуальному и измерительному контролю.
	Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов.
	Швы стыковых, угловых и тавровых сварных соединений сосудов и аппаратов, работающих под давлением. Методика ультразвукового контроля.
	Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения.
	ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.
	ССБТ. Шум. Общие требования безопасности.
	Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) три эксплуатации электроустановок.
	Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.
	Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.
	Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные.
	Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Методы измерения основных параметров.

Примечание . При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие указанных ссылочных нормативных документов. Если ссылочный документ заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3. Основные положения

3.1. Стандарт устанавливает методику ручного ультразвукового контроля:

Стыковых сварных соединений в изделиях с толщиной стенки от 4 до 30 мм (плоских заготовок, кольцевых швов сосудов и аппаратов диаметром не менее 200 мм, продольных швов цилиндрических изделий диаметром не менее 400 мм, кольцевых швов труб, патрубков и других узлов, с наружным диаметром не менее 100 мм с двухсторонней сваркой или с односторонней сваркой с подкладным кольцом);*

Угловых и тавровых сварных соединений листовых цилиндрических конструкций, эллиптических, шаровых и других видов днищ, в зависимости от типа шва с толщиной стенки свариваемых элементов (деталей) от 4 до 30 мм с наружным диаметром корпуса (днища) не менее 400 мм и внутренним диаметром привариваемых люков, штуцеров, лазов и т.п. не менее 100 мм при отношении диаметра патрубка к диаметру корпуса не более 0,6.

* Данный СТО не распространяется на контроль трубопроводов (например, технологических и др.).

3.2. Объем контроля швов определяется в соответствии с требованиями ПБ 03-576-03 , ПБ 03-584-03 , ГОСТ Р 52630-2006 , а также технических условий и другой технической документации, утвержденной в установленном порядке.

3.3. Ультразвуковой контроль обеспечивает выявление в сварных швах трещин, непроваров, пор, неметаллических включений и других без расшифровки характера дефектов, с указанием их количества, координат расположения, условной протяженности (в ряде случаев высоты).

3.4. Ультразвуковой контроль проводится при температуре окружающего воздуха от +5 до +40 °С. Температура шва и околошовной зоны при контроле должна быть в пределах от +5 до +50 °С.

3.5. Контроль следует проводить после полной термической обработки сварных швов, если она предусмотрена технологией и при положительных результатах визуально-измерительного контроля.

3.6. Участки швов, для которых расшифровка результатов ультразвукового контроля и оценка качества затруднительны, дополнительно проверяют просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами. При несовпадении результатов контроля в качестве арбитражного метода рекомендуется послойное вскрытие шва с последующим контролем цветным методом, а также визуальный и измерительный контроль.

3.7. Перечень недопустимых дефектов, объемы и методы контроля для разных групп сосудов представлены в Приложении (справочное). Содержание ферритной фазы и другая информация, необходимая дефектоскописту для принятия оперативного решения, представлена в приложениях , и .

3.8. Данный СТО может быть использован как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации сосудов и аппаратов.

4. Организация ультразвукового контроля

4.1.Ультразвуковой контроль (УЗК) осуществляется работниками отдела (лаборатории, группы) неразрушающего контроля, действующей на основании Положения о подразделении неразрушающего контроля. Отдел (лаборатория) должен быть аттестован в установленном порядке.

4.2. К проведению ультразвукового контроля допускаются лица, прошедшие специальную теоретическую и практическую подготовку в соответствии с ПБ 03-440-02 , имеющие квалификационные удостоверения на право проведения контроля и выдачу заключения о качестве сварных швов по результатам УЗК.

Кроме того, дополнительно дефектоскопист должен быть аттестован на право проведения ультразвукового контроля аппаратуры из стали аустенитного и аустенитно-ферритного класса в соответствии с настоящей инструкцией в НОАП «НИИХИММАШ» или других аттестационных центрах, имеющих право на проведение указанных работ. При перерыве в работе более одного года дефектоскописты лишаются права ведения контроля до повторной аттестации.

4.3. Ультразвуковой контроль должен проводиться двумя дефектоскопистами, один должен иметь квалификацию по УЗК не ниже II уровня.

4.4. Работа каждого дефектоскописта проверяется путем повторного выборочного ультразвукового контроля не менее 5 % общей протяженности швов, проверенных им за смену. Работу дефектоскописта контролирует инженер лаборатории (отдела) неразрушающих методов контроля, имеющий II уровень квалификации. При обнаружении пропущенных дефектов сварные швы повторно контролируются полностью.

4.5. Ультразвуковой контроль проводится в цехе на специально отведенном участке или участке расположения контролируемых изделий при невозможности их транспортировки.

4.6. Участок, на котором проводится ультразвуковой контроль, должен быть удален от сварочных постов, защищен от лучистой энергии и расположен так, чтобы исключалась возможность попадания на контролируемую поверхность грязи, масел и пр.

На участке ультразвукового контроля должны быть:

Ультразвуковые дефектоскопы с комплектом преобразователей;

Подводка сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 24, 36, и 220 В, кабель сетевого питания, заземляющая шина;

При колебании напряжения в сети более ±10 % на участке необходимо иметь стабилизатор напряжения;

Специальные стандартные по ГОСТ 14782 и стандартные образцы предприятия для проверки и настройки дефектоскопов с преобразователями;

Набор слесарного и измерительного инструмента;

Контактная жидкость и обтирочный материал;

Подставка для дефектоскопа;

Мостки и лестницы для дефектоскопистов;

Стеллажи и шкафы для хранения дефектоскопов с комплектом преобразователей, образцов и материалов.

4.8. Для дефектоскопа с блоком памяти и автономным питанием (например, УИУ «Сканер») требования пункта могут быть ограничены.

4.9. При контроле должны использоваться ультразвуковые импульсные дефектоскопы типа УИУ «Сканер», УД2-12 или другие отечественного и зарубежного производства, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 14782 и настоящего стандарта.

4.10. Дефектоскопы должны быть укомплектованы типовыми стандартными наклонными преобразователями с углами ввода 70° и 65° по углеродистой стали см. таб. и , а также прямыми и прямыми раздельно-совмещенными (PC) преобразователями.

4.11. В комплект аппаратуры для измерения и проверки основных параметров дефектоскопов (совместно с преобразователем) и контроля должны входить комплект стандартных образцов СО-1, СО-2А и СО-3А в соответствии с требованиями ГОСТ 14782 , стандартные образцы предприятия (СОП) с искусственными отражателями: сегментными (рис. ) или угловыми (рис. ) для настройки предельной чувствительности и зоны контроля, например комплект образцов КСО, разработанных НИИхиммашем (рис. ), а также вспомогательные приспособления и устройства для соблюдения основных параметров и снижения трудоемкости ультразвукового контроля.

СОП должны изготавливаться из той же марки стали, что и контролируемое изделие, а сварной шов образца необходимо выполнить по технологии сварки конкретного изделия с минимально допустимым содержанием ферритной фазы (автоматическая, ручная и т.п.), а искусственный отражатель выполняется на сварном шве по центральной оси сварного шва со снятым усилением.*

Рисунок 1. Стандартный образец предприятия с сегментным отражателем для

Рисунок 2. Стандартный образец предприятия с угловым отражателем для
настройки чувствительности, координат и зоны контроля дефектоскопа

5. Подготовка к контролю

5.1. Первичный контроль, а также контроль после устранения дефектов осуществляется на основании заявки или другой документации, подписанной соответствующими работниками служб предприятия. В документе на проведение контроля указывается номер чертежа, материал и его толщина, клеймо сварщика. Кроме того в нем должны быть сделаны записи о соответствии выполнения контроля сварного шва требованиям ПБ 03-584-03 , ГОСТ Р 52630-2006 (а также положительных результатах визуально-измерительного контроля в соответствии с РД 03-606-03).*

* При отсутствии чертежа прикладывается эскиз сварного соединения с указанием размеров.

Подготовка к контролю состоит из следующих операций:

Визуально-измерительный контроль;

Выбор способа прозвучивания;

Подготовка поверхности изделия к прозвучиванию;

Определение величины относительного затухания ультразвуковых колебаний стыковых сварных соединений;

Определение содержания ферритной фазы;

Выбор параметров контроля.

Настройка дефектоскопа совместно с преобразователем.

5.2. Визуальный и измерительный контроль (ВИК) сварных соединений выполняется с целью выявления поверхностных дефектов. При проведении ВИК должно быть установлено соответствие состояния сварного шва и околошовной зоны требованиям настоящей инструкции, РД 03-606-03 , ГОСТ 5264-80 , ГОСТ 8713-79 или ГОСТ 14771-76 .

5.2.1. Визуальному и измерительному контролю подлежат все сварные соединения сосудов и их элементов в целях выявления в них следующих дефектов:

Трещин всех видов и направлений;

Свищей и пористости наружной поверхности;

Подрезов;

Наплывов, прожогов, незаплавленных кратеров;

Смещения и совместного увода кромок свариваемых элементов свыше норм, предусматриваемых Правилами ПБ 03-576-03 и ГОСТ Р 52630-2006 .

Несоответствие формы и размеров швов требованиям технической документации.

Более полный перечень недопустимых дефектов, а также нормы допустимых отдельных дефектов для различных толщин деталей представлены в Приложении (справочное).

5.2.2. Осмотр и измерения сварных соединений должны производиться с наружной и внутренней сторон по всей протяженности швов. В случае невозможности осмотра и измерения сварного соединения с двух сторон, его контроль должен производиться в порядке, предусмотренном автором проекта или программой работ, согласованной между заказчиком и исполнителем.

5.2.3. Сварной шов необходимо подразделить на участки и замаркировать так, чтобы однозначно устанавливать место дефекта по длине шва. Сварные швы с недопустимыми дефектами по результатам ВИК ультразвуковому контролю не допускаются. Особенности визуального и измерительного контроля при техническом диагностировании оборудования в процессе эксплуатации и подход к оценке норм браковки представлены в Приложении (специальное).

5.2.4. Визуальный и измерительный контроль качества готовых сварных соединений выполняется с целью подтверждения качества их соответствия нормативной документации. Обычно при проведении ВИК в закрытых помещениях или внутри сосуда применяется местное и общее освещение. Местное освещение контролируемой поверхности должно составлять не менее 500 люкс, общее - 10 % от местного. Важное значение для обнаружения дефекта, выходящего на поверхность, является контраст изображения дефекта К

где - яркость фона, окружающего дефект, кд/м 2 (кд-кандела-единица яркости в системе СИ); - яркость дефекта, кд/м 2 . Чем больше величина значения К , тем лучше выявляется дефект.

На основании изложенного подготовление к ВИК должно заключаться в следующем:

Для местного освещения следует использовать фонарь, обеспечивающий величину освещенности контролируемой поверхности листа не хуже 500 люкс;

Перед проведением визуального контроля освещенность следует измерять люксметром. Если контроль выполняется на специально оборудованном участке цеха, то измерение освещенности можно проводить периодически;

Для обнаружения и измерения величины раскрытия дефектов поверхности рекомендуется использовать лупы с измерительной шкалой и ее подсветкой. Увеличение должно быть 3-х и 5-ти кратным. Цена деления шкалы - не хуже 0,1 мм;

Подлежащая контролю наружная поверхность должна рассматриваться под углом более 30° к плоскости объекта контроля и с расстояния до 600 мм;

Для создания хорошего контраста изображения дефекта с фоном и уверенного обнаружения дефекта обязательными являются выполнения рекомендаций данного пункта инструкции;

В сомнительных случаях для обнаружения поверхностных дефектов визуальный контроль необходимо дополнить применением других методов контроля, например, цветного;

Результаты визуального контроля оформляются актом и при обнаружении недопустимых дефектов на дефектограмме (фотографии), которая должна прилагаться к упомянутому акту (или хранится в памяти других носителей информации);

Другие сведения, касающиеся оценки качества применяемого оборудования и оформления результатов ВИК приведены в справочном Приложении .

5.2.5. Оценку качества сварных соединений по результатам ВИК при изготовлении сосудов и аппаратов проводят в соответствии с ГОСТ Р 52630-2006 .

5.2.6. Оценку качества сварных соединений по результатам ВИК при проведении экспертизы промышленной безопасности или технической диагностики проводят в соответствии с рекомендациями, изложенными в приложении .

5.3. Выбор способа прозвучивания зависит от толщины металла, ширины валика усиления шва, характера и расположения возможных дефектов и доступа к сварному шву. Выбирают такой способ прозвучивания, который позволяет центральным лучом обеспечить контроль всего наплавленного металла (табл. , ). Контроль околошовной зоны основного металла в пределах перемещения преобразователя на отсутствие расслоений следует проводить, если он предусмотрен нормативно-технической документацией на контроль и если такой контроль до сварки не проводился.

5.4. Поверхность околошовной зоны на расстоянии "Д" в обе стороны от усиления шва должна быть очищена от брызг металла, отслаивающейся окалины, грязи и краски. Расстояние "Д" ориентировочно определяется по табл. , или по формуле:

Д = L + 20 мм,

где L - протяженность зоны перемещения преобразователя.

Максимальная протяженность зоны перемещения преобразователя при контроле продольных и кольцевых сварных соединений определяется по формуле:

Таблица 1

			Рабочая частота, МГц	Стрела преобразователя, мм			Зона зачистки, мм
	Углерод. сталь**	Нерж. сталь*	Рабочая частота, МГц	Стрела преобразователя, мм			Зона зачистки, мм		´ b , мм 2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
						0-80			1,5 ´ 2,7
						0-80			1,5 ´ 2,7
						0-80			2,0 ´ 3,0
						0-90			2,0 ´ 3,0
						0-90			2,0 ´ 3,5
						0-100			2,0 ´ 3,5
						0-100			2,0 ´ 4,5
						0-100			2,0 ´ 4,5
24-30						0-130			2,0 ´ 5,0

Примечание : * - Угол ввода преобразователя рассчитан, исходя из значения скорости ультразвуковых поперечных волн, равной 3100 м/с; 3100 м/с - средняя статистическая скорость поперечных ультразвуковых волн в сварном шве, выполненном по технологии сварки согласно ОСТ 26.260.3-2001 . Если сварное соединение выполнено по другой технологии, то в этом случае рекомендуется предварительно измерить скорость в сварном шве. Под средней статистической скоростью понимается усредненное значение скорости ультразвука в околошовной зоне и сварном шве, например, измеренной на СОПе без учета времени прохождения УЗК в преобразователе.

** - Углы соответствуют стандартным преобразователям.

*** - Способы прозвучивания других типов швов указаны в п. .

Таблица 2

	Угол ввода преобразователя, град		Рабочая частота, МГц	Стрела преобразователя, мм	Способ прозвучивания стыковых швов***	Зона перемещения преобразователя, мм	Зона зачистки, мм	Предельная чувствительность, мм 2
	Углерод. сталь**	Нерж. сталь*	Рабочая частота, МГц	Стрела преобразователя, мм	Способ прозвучивания стыковых швов***	Зона перемещения преобразователя, мм	Зона зачистки, мм	Площадь сегментного отражателя, мм 2	Размеры углового отражателя h ´ b , мм 2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
					Однократно и двукратно отраженным лучом	0-80			1,5 ´ 2,0
						0-80			1,5 ´ 2,0
						0-80			1,8 ´ 2,0
					Прямым и однократно отраженным лучом	0-90			1,8 ´ 2,0
						0-90			1,8 ´ 3,0
						0-100			1,8 ´ 3,0
						0-100			2,0 ´ 3,5
						0-100			2,0 ´ 3,5
24-30						0-130			2,0 ´ 4,5

Примечание : * - Угол ввода преобразователя рассчитан, исходя из значения скорости ультразвуковых поперечных волн, равной 3180 м/с. 3180 м/с - средняя статистическая скорость поперечных ультразвуковых волн в сварном шве, выполненном по технологии сварки согласно ОСТ 26.260.3-2001 .

Если сварное соединение выполнено по другой технологии, то в этом случае рекомендуется предварительно измерить скорость в сварном шве.

** - Углы соответствуют стандартным преобразователям.

*** - Способ прозвучивания других типов швов указан в п. .

m - число отражений;

n - стрела преобразователя;

d - толщина контролируемого изделия;

a - угол ввода ультразвукового луча.

5.4.1. Допускается вести контроль по поверхности проката без механической обработки при условии удаления брызг металла с поверхности околошовной зоны.

Поверхность не должна иметь вмятин, неровностей, забоин и т.п. Для зачистки поверхности контроля рекомендуется применять металлические щетки, зубила и шлифмашинки с абразивными кругами.

При механической обработке сварного соединения шероховатость должна быть не более Rz 40 по ГОСТ 2789 . Для измерения шероховатости поверхности, например, методом сравнения, применяются специальные шаблоны шероховатости. Шов должен быть предъявлен оператору полностью подготовленным к контролю. Зачистка поверхности в обязанности оператора не входит. При контроле сварных швов без усиления зачищается как поверхность шва, так и околошовная зона. При отсутствии усиления сварного шва его границы выявляются путем химического травления.

5.4.2. Для достижения необходимого акустического контакта между поверхностью изделия и преобразователем зону контроля покрывают смазкой. В качестве смазки может быть использовано трансформаторное масло или глицерин. Для изделий, имеющих большую кривизну поверхности, рекомендуется более густая смазка, например, автолы различных марок. Рекомендуется контактная смазка на основе полиакриламида, а также на основе карбометилцеллюлозы, которые приведены в СТО 00220256-005-2005 .

5.5. Перед контролем в лаборатории необходимо изучить требования нормативно-технической документации на контроль оборудования, настоящей инструкции и настроить дефектоскоп.

5.5.1. При проверке преобразователей определению подлежат следующие параметры:

Точка выхода ультразвукового луча и стрела преобразователя (n);

Угол ввода ультразвукового луча в металл (a ).

5.5.2. Точка выхода ультразвукового луча и стрела преобразователя (n) определяются по стандартному образцу СО-3А. Точка выхода ультразвукового луча расположена против центра полуокружности образца при установке преобразователя в положение, при котором амплитуда эхо-сигнала от цилиндрической наружной поверхности максимальна. Положение точки выхода наносится на боковой поверхности преобразователя. После проверки на преобразователе должно быть нанесено новое найденное положение точки выхода луча. Положение метки, соответствующей точке выхода ультразвукового луча, не должно отличаться от действительного более, чем на ±1 мм. Стрела преобразователя (n) представляет собой расстояние от точки выхода акустической оси ультразвукового луча до передней грани преобразователя. Определение стрелы преобразователя производится 1 раз в смену.

5.5.3. Проверка угла ввода по стандартному образцу СО-2А должна производиться не реже 1 раза в смену, так как в связи с изнашиванием призмы преобразователя угол ввода луча в металл может изменяться.

5.5.4. При настройке дефектоскопа совместно с преобразователем необходимо:

Установить и подключить дефектоскоп с преобразователем и проверить их работоспособность;

Настроить глубиномерное устройство;

Установить зону контроля;

Установить чувствительность контроля;

Определить мертвую зону;

Проверить разрешающую способность.

Проверка работоспособности дефектоскопа и настройка параметров контроля производится согласно руководства по эксплуатации на дефектоскоп и в соответствии ГОСТ 14782 .

5.6. Ультразвуковой контроль сварных швов проводится по режимам, зависящим от особенностей структуры металла шва и околошовной зоны.

5.6.1. Структурное состояние металла стыкового шва и околошовной зоны оцениваются в дБ путем измерения величины относительного затухания ультразвуковых колебаний

где: А осн, А св - величины амплитуд сигналов при прохождении ультразвуковых колебаний в основном металле и металле шва.

5.6.2. Относительное затухание определяется зеркально-теневым методом однократно или многократно отраженным пучком УЗК двумя преобразователями с углом ввода 70° или 65° на частоте 5.0 или 2.5 МГц прибором, снабженным аттенюатором. Кратность отражений выбирается таким образом, чтобы ультразвуковой лучек (луч) проходил через максимальную ширину поперечного сечения шва (рис. ).

5.6.3. При прозвучивании необходимо преобразователи установить так, чтобы получить на экране электронно-лучевой трубки сигнал максимальной амплитуды. Расстояние "L " между преобразователями может быть определено расчетным путем по формуле

где: d - толщина металла;

a - угол ввода луча.

Замеры амплитуд сигналов проводят на трех участках на каждом метре шва и основного металла.

Определяют разность ,

где - средняя амплитуда сигналов при прохождении ультразвуковых колебаний в основном металле;

Средняя амплитуда сигналов в сварном шве;

i - 1, 2, 3 - номер измерения.

5.6.4. При настройке параметров УЗК допускается применение АРД-номограмм с обязательным учетом величины относительного затухания, угла ввода ультразвукового луча в сварном соединении и средней статистической скорости ультразвуковых колебаний.

Рисунок 3. Схемы контроля для определения величины относительного
затухания D А ультразвуковых колебаний в зависимости от вида сварного шва:
а, в - в металле шва; б, г - в основном металле

5.7.1. Измерение содержания ферритной фазы проводится ферритометрами, на 3 - 5 участках сварного шва по его центральной оси в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора.

5.7.2. Для измерения содержания ферритной фазы рекомендуются ферритометры пондеромоторного типа ФА-5 с высокой степенью локальности, разработанные НИИХИММАШ, ферритометры локальные МК-2Ф с накладным электромагнитным преобразователем, разработанные НПФ "АВЭК", г. Екатеринбург и др.

5.8.1. Если относительное затухание D А £ 8 ДБ, то выбор параметров контроля производится в соответствии с табл. .

При значениях относительного затухания от 9 до 15 ДБ параметры контроля выбираются по табл. .

Измерения проводились поперечными волнами на частоте 2,5 МГц. Образцы сварных соединений толщиной от 8 до 20 мм имели сегментные отражатели с площадью отражаемой поверхности 2,0 и 2, 5 мм 2 .

Из рисунка видно, что сварные швы с содержанием ферритной фазы от 0 до 3 % являются не дефектоскопичными.

5.8.3. Дефектоскопичность и параметры контроля (п. ) угловых и тавровых сварных соединений определяются в соответствии с графиком рис. , в зависимости только от содержания ферритной фазы в сварных швах, измеренного согласно п. настоящего стандарта, при этом измерение содержания ферритной фазы в указанных швах целесообразно проводить преобразователями карандашного типа. Измерив среднее значение содержания ферритной фазы дефектоскопист по графику, проведенному на рис. определяет значение относительного затухания и затем в соответствии с п. устанавливает параметры контроля шва (см. приложение ).

5.8.4. Образцы для настройки чувствительности дефектоскопа, а также СО-2А и СО-3А должны быть изготовлены и аттестованы в установленном порядке.

Рисунок 4. 3ависимость относительного затухания ультразвуковых колебаний D А
от содержания ферритной фазы а в сварном шве стали 12Х18Н10Т

6. Методика контроля стыковых сварных соединений*

* Методика ВИК приведена в пункте и Приложении .

6.1. Стыковые сварные соединения толщиной от 4 до 30 мм контролируются с двух сторон сварного шва с наружной или внутренней поверхности изделия. Схемы прозвучивания швов указаны в таблицах № и № . На рис. указаны схемы прозвучивания прямым, однократно отраженным и двукратно отраженным лучами.

6.2. Для выявления дефектов типа поперечных трещин, ориентированных в плоскости, перпендикулярной оси шва, сварной шов необходимо дополнительно проконтролировать при чувствительности, повышенной на 6 дБ от предельной, перемещая преобразователь вдоль каждой из сторон шва под углом 10 - 30° к его оси (рис. ) без изменений расстояния от усиления шва, но с обязательным разворотом преобразователя вокруг его центральной оси на угол 5 - 10°. Места сопряжений кольцевых и продольных сварных швов контролируют по схеме, представленной на рис. .

6.3. При контроле сварных соединений, имеющих различную толщину свариваемых листов, один из которых имеет скос от кромки прозвучивание со стороны листа с меньшей толщиной производят прямым и однократно отраженным лучом, а со стороны листа с переменной толщиной проводят прямым лучом со стороны листа, не имеющего скоса (рис. а). При наличии скоса от кромки у обоих листов или скоса с двух сторон листа ультразвуковой контроль не производится. Схема определения величины амплитуды сигнала при прохождении УЗК через металл шва представлена на рис. б. Амплитуда сигнала в основном металле определяется путем её измерения на листе изделия меньшей толщины.

6.4. Допускается проводить ультразвуковой контроль сварных соединений с односторонним доступом к сварному шву, если выявление внутренних дефектов недоступно для рентгено-гаммаграфирования или других методов контроля.

а - контроль прямым лучом;
б - контроль однократно отраженным лучом;
в - контроль двукратно отраженным лучом.

Рисунок 5. Схема прозвучивания сварных соединений прямым,
однократно отраженным и двукратно отраженным лучами

Рисунок 6. Схема перемещения преобразователя при контроле сварного шва

Рисунок 7. Схема контроля сопряжений кольцевых и продольных сварных швов

Рисунок 8. Схема ультразвукового контроля сварного соединения
с различной толщиной листов

7. Методика контроля угловых и тавровых сварных соединений

7.1. Для определения дефектоскопичности угловых и тавровых сварных соединений достаточно измерить содержание ферритной фазы в поверхностном слое сварных швов согласно п.п. - настоящего стандарта.*

* В большинстве случаев содержание феррита по сечению шва лежит в пределах ошибки измерения.

7.2. При контроле угловых (рис. ) и тавровых (рис. ) соединений могут применяться следующие схемы контроля:

По наружной или внутренней поверхностям стенки углового соединения;

По поверхностям полки или стенки таврового соединения.

Угловые и тавровые соединения сосудов и аппаратов следует контролировать, как правило, по наружной поверхности корпуса. Допускается проводить контроль по внутренней поверхности корпуса или патрубка.

Схема контроля выбирается в зависимости от расположения возможных дефектов, условия полного прозвучивания наплавленного металла шва и условий доступности контроля. Преимущественным должен быть контроль по наружной поверхности углового соединения (рис. а, б, в) и по наружной поверхности полки таврового соединения (рис. ).

7.3. Контроль угловых и тавровых сварных соединений с плоскими стенками производится прямыми или прямыми раздельно-совмещенными и наклонными преобразователями с углами ввода 65° и 70°. Рабочая частота для прямых или прямых раздельно-совмещенных преобразователей должна быть 5,0 МГц.** Чувствительность и параметры контроля должны соответствовать данным приведенным в табл. .

Контроль углового или таврового соединения, если есть к ним доступ, производится в два приема: прямым преобразователем и наклонным преобразователем прямым и однократно отраженным лучами (рис. , ).

** Допускается применение прямых или прямых раздельно-совмещенных преобразователей с частотой 2,5 МГц.

7.4 При контроле прямым преобразователем сварное соединение не должно находится в его мертвой зоне.

7.5 Настройку предельной чувствительности и определение мертвой зоны следует проводить по образцу с плоскодонными отверстиями (рис. ).

Рисунок 9. Схемы контроля угловых сварных соединений

Рисунок 10. Схемы контроля тавровых сварных соединений

Таблица 3

	Рабочая частота, МГц	Вид искусственного отражателя	Предельная чувствительность, мм 2		Диаметр отверстия, мм
			Ферритная фаза, %		Ферритная фаза, %
			a > 5,0	a = 3 ¸ 5	a > 5,0	a = 3 ¸ 5
4,0-6,0		Отверстие с плоским дном
8,0-10,0		- // - // - // -
12,0-18,0		- // - // - // -
20,0-22,0		- // - // - // -
24,0-30,0		- // - // - // -

Рис. 11. Стандартный образец предприятия (СОП) с плоскодонными отверстиями,
выполненными в наплавленном металле.

Толщина наплавленного металла составляет 6,0 мм. Диаметр отверстия выбирается из таблицы №
в зависимости от толщины контролируемого металла и содержания ферритной фазы.

8.1. Для оценки качества сварных швов измеряются следующие характеристики выявленных дефектов:

Амплитуда отраженного сигнала от дефекта;

Координаты расположения дефекта;

Условная протяженность дефекта или дефектной зоны вдоль шва, (а при необходимости, например, при технической диагностике также условная высота);

Условное расстояние между дефектами;

Количество дефектов на определенной длине шва.

Указанные характеристики определяют при заданной предельной чувствительности дефектоскопа, при которой амплитуда эхо-сигнала от контрольного отражателя равна 50 % от размера экрана дефектоскопа.

8.2. Амплитуда сигнала от дефекта измеряется величиной импульса на экране в % и величиной ослабления импульса в дБ до ориентировочного уровня 50 % от высоты экрана дефектоскопа.

8.3. Условная протяженность дефекта или дефектной зоны измеряется длиной зоны перемещения преобразователя вдоль шва в обе стороны, в пределах которой эхо-сигнал от дефекта изменяется от своего максимального значения до уровня 3 - 5 мм.

8.4. Условное расстояние между дефектами измеряется между крайними положениями преобразователя, при которых была определена условная протяженность двух рядом расположенных дефектов.

8.5. При контроле необходимо различать точечные и протяженные дефекты. К точечным дефектам относятся такие дефекты, условная протяженность которых не превышает условной протяженности искусственного дефекта в СОП, определяемого на глубине, соответствующей глубине залегания дефекта в сварном шве изделия. К протяженным дефектам относятся такие дефекты, условная протяженность которых превышает условную протяженность искусственного дефекта в СОП, определяемого на глубине залегания дефекта в сварном шве изделия. Совокупность дефектов, условное расстояние между которыми не превышает условной протяженности точечного дефекта, следует отнести к цепочке дефектов. Фиксации подлежат все точечные дефекты амплитуда отраженного сигнала от которых равна или превышает 50 % от размера экрана дефектоскопа и протяженные дефекты, амплитуда сигнала которых превышает 25 % на экране дефектоскопа.

8.6. Для сосудов и аппаратов с общими техническими условиями изготовленных в соответствии с ГОСТ Р 52630-2006 , ПБ 03-584-03 ОСТ 26-291-94 к недопустимым дефектам сварных швов по результатам ультразвукового контроля относятся:

Дефекты точечные (непротяженные), амплитуда сигнала от которых равна или более амплитуды сигнала от искусственного отражателя в СОП;

Протяженные дефекты, амплитуда сигналов от которых более 25 % амплитуды сигнала от искусственного отражателя в СОП;

Цепочки точечных дефектов, амплитуда эхо-сигналов от которых равна или более 50 % амплитуды сигнала от искусственного отражателя и суммарная условная протяженность которых превышает более чем в 1,5 раза толщину стенки изделия на участке, равном по длине десятикратной толщине стенки изделия.

8.7. Участки сварных швов, признанные по результатам ультразвукового контроля неудовлетворительными, подлежат исправлению, заварке и повторному контролю.

8.8. В необходимых случаях для получения дополнительной информации о дефектах может быть применен радиографический метод, метод послойного вскрытия соединения с обязательной цветной дефектоскопией, металлографический и другие методы контроля.

9. Оформление технической документации по результатам
ультразвукового контроля

10. Требования безопасности

10.1.При проведении работ по ультразвуковому контролю на дефектоскописта возможно воздействие следующих опасных и вредных производственных факторов:

Тока, подводимого для питания ультразвукового дефектоскопа;

Проникающие в кисть руки ультразвуковые колебания, применяемые для контроля металлов и сплавов;

Высокий уровень шумов и повышенная яркость света при сварке;

10.2. Электробезопасность при ультразвуковом контроле обеспечивается выполнением требований "Межотраслевых правил по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок" ПОТ Р М-016-2001 .

10.3. Мероприятия по пожарной безопасности осуществляются в соответствии с требованиями типовых правил пожарной безопасности для промышленных предприятий.

10.4. К работе по ультразвуковому контролю допускаются лица, прошедшие инструктаж по правилам техники безопасности, о чем должна быть занесена запись в журнал, имеющие удостоверения по проверке знаний "Правил техники эксплуатации электроустановок потребителей и Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей ", производственных инструкций предприятия. Дефектоскопист должен иметь удостоверение о проверке знаний правил промышленной безопасности согласно ПБ 03-440-02 .

10.5. Подключение дефектоскопа к сети питания и отключение его производит дежурный электрик. На специально оборудованных постах подключение может производить дефектоскопист. Дефектоскопы необходимо подключать к малонагруженным электрическим (осветительным) линиям. Если это невозможно, дефектоскоп следует подключать через стабилизатор напряжения.

10.6. Перед каждым включением дефектоскопа оператор должен убедиться в надежности его заземления. Заземление дефектоскопа должно выполняться в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.030-81 "ССБТ Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление".

Заземление ультразвуковых дефектоскопов должно осуществляться специальной жилой переносного провода, которая не должна одновременно служить проводником рабочего тока. В качестве заземляющего проводника следует использовать отдельно жилу в общей оболочке с фазным проводом, которая должна иметь одинаковое с ним сечение. Использовать нулевой провод для заземления запрещается. Жилы проводов и кабелей для заземления должны быть медными, гибкими, сечением не менее 2.5 мм 2 .

10.8. Контроль внутри сосудов (емкостей) должен проводиться дефектоскопами с автономным питанием напряжением до 12 В звеном из двух дефектоскопистов.

10.9. Штепсельные розетки для переносных электроприборов должны быть снабжены специальными контактами для присоединения заземляющего проводника.

При этом конструкция штепсельного соединения должна исключать возможность использования токоведущих контактов в качестве заземляющих. Соединение заземляющих контактов штепселя в розетки должно осуществляться до того, как войдут в соприкосновение токоведущие контакты, порядок отключения должен быть обратным.

10.10. Для предотвращения воздействия на дефектоскописта ультразвуковых колебаний при ультразвуковом контроле следует руководствоваться "Правилами безопасности и производственной санитарии для операторов ультразвуковой дефектоскопии", разработанными Московским научно-исследовательским институтом им. М.Ф. Владимирского, утвержденными Минздравом СССР 29 декабря 1980 г.

10.11. В шумных цехах необходимо использовать индивидуальные средства защиты. Уровень шума, создаваемого на рабочем месте оператора, не должен превышать допустимый ГОСТ 12.1.003-83 .

10.12. По возможности рабочие места дефектоскопистов должны быть фиксированы. Если на расстоянии менее 10 м от места контроля производится сварка или другая работа, связанная с ярким освещением, необходимо установить ограничительные щиты.

10.13. Перед проведением дефектоскопии на высоте, в труднодоступных местах или внутри металлоконструкций дефектоскопист должен пройти дополнительный инструктаж по технике безопасности в этих условиях, а его работа должна контролироваться службой техники безопасности. Кроме того, дефектоскопист должен иметь удостоверение на право проведения работ на высоте.

10.14. На рабочем месте, расположенном на высоте, например, в полевых условиях при выполнении работ по диагностике или экспертизе промышленной безопасности, должны быть сооружены мостики или леса, обеспечивающие дефектоскописту удобный доступ к любому участку контролируемого изделия, при этом дефектоскопист должен пользоваться предохранительным поясом.

10.16. Нарушивший правила техники безопасности должен быть отстранен от работы и вновь допущен к ней только после дополнительного инструктажа по технике безопасности.

10.17. Принадлежности, используемые дефектоскопистом: масленки, обтирочные материалы, ветошь и бумага, должны храниться в металлических ящиках.

10.18. Специалист по ультразвуковому контролю, поступающий на работу, должен пройти обязательный медицинский осмотр. Принятый на работу персонал должен проходить периодические (один раз в год) медицинские осмотры в соответствии с приказом Минздрава СССР № 400 от 30 мая 1960 г. и "Лечебно-профилактическими мероприятиями по улучшению состояния здоровья и условий труда операторов ультразвуковой дефектоскопии", утвержденными Минздравом СССР 15 марта 1976 г.

10.19. При работе на предприятиях химических, нефтехимических и других смежных отраслей промышленности необходимо выполнять требования по технике безопасности, установленные для данного предприятия.

Приложение А
(справочное)
Допускаемое содержание ферритной фазы при сварке коррозионностойких
сталей аустенитного и аустенитно-ферритного классов в металле шва
и наплавленном металле

Акустические свойства металла шва высоколегированных сталей аустенитного и аустенитно-ферритного классов: хромоникелевых, хромоникелемолибденовых, хромомарганцовистых и др., изменяются в зависимости от применяемого способа и стабильности режимов сварки, химического состава электродов и проволоки. В зависимости от условий сварки может быть получена сравнительно однородная мелкозернистая структура шва, обеспечивающая высокую чувствительность ультразвукового метода контроля, или неоднородная крупнозернистая при которой из-за резкого затухания УЗК и высокого уровня помех, соизмеримого с уровнем полезных сигналов, ультразвуковой контроль становится неэффективным.

Выделение феррита в процессе формирования сварного шва способствует образованию в нем более мелкой структуры.

С целью предотвращения охрупчивания металла шва сварочные материалы, предназначенные для выполнения сварных соединений, эксплуатирующихся при температуре свыше 350 °С, должны обеспечивать в металле шва или наплавки содержание ферритной фазы указанной в таблице № согласно ОСТ 26.260.3-2001 .

Таблица 1

Температура
эксплуатации
соединения, °С

Св-07Х18Н9ТЮ

до 350

не ограничивается

Св-07Х19Н10Б

Св-07Х25Н13

свыше 350 до 450

Св-07Х25Н12ТЮ

Св-04Х19Н11М3

свыше 500 до550

Св-06Х19Н10М3Б

Св-08Х19Н10М3Б

Св-06Х19Н10М3Т при ультразвуковой дефектоскопии.

В сварных соединениях не допускаются следующие поверхностные дефекты:

Трещины всех видов и направлений;

Подрезы;

Наплывы, прожоги и незаплавленные кратеры;

Смещение и совместный увод кромок свариваемых элементов свыше норм, предусмотренных настоящим стандартом;

Несоответствие формы и размеров швов требованиям стандартов, технических условий проекта;

Поры, выходящие за пределы норм, установленных таблицей ;

Чешуйчатость поверхности и глубин впадин между валиками шва, превышающие допуск на усиление шва по высоте.

Допускаются местные подрезы в сосудах 3, 4-й и 5а, 5б групп, предназначенных для работы при температуре свыше 0 °С. При этом их глубина не должна превышать 5 % толщины стенки, но не более 0.5 мм, а протяженность 10 % длины шва.

Допускается в сварных соединениях из сталей и сплавов марок 03Х21Н21М4ГБ, 03Х28МДТ, 06Х28МДТ отдельные микронадрывы протяженностью не более 2 мм.

Для выявления внутренних дефектов сварных соединений следует применять методы неразрушающего контроля, в которых используют проникающие физические поля (ультразвуковой или радиографические).

Ультразвуковую дефектоскопию сварных соединений следует проводить в соответствии с ГОСТ 14782 и настоящего СТО.

Ультразвуковой метод контроля (радиографический или их сочетание) следует выбирать исходя из возможностей более достоверного (полного и точного) выявления дефектов с учетом условий эксплуатации (группа оборудования), методики контроля для данного вида сварных соединений сосуда (сборочных единиц, деталей), а также согласованного документа между заказчиком и исполнителем.

Таблица 1

Номинальная толщина наиболее тонкой детали, мм	Допустимый максимальный размер дефекта, мм	Допустимое число дефектов на любые 100 мм шва
От 2 до 3 включ.
Св. 3 до 4 включ.
Св. 4 до 5 включ.
Св. 5 до 6 включ.
Св. 6 до 8 включ.
Св. 8 до 10 включ.
Св. 10 до 15 включ.
Св. 15 до 20 включ.
Св. 20 до 40 включ.
Св. 40

Контролю подлежат:*

* Примечание . Данными, изложенными в справочном приложении , следует руководствоваться только для сварных соединений, указанных в настоящем СТО.

а) стыковые, угловые, тавровые сварные соединения, доступные для этого контроля в объеме не менее указанного в таблице ;

б) места сопряжения (пересечений) сварных соединений;

в) сварные соединения внутренних и наружных устройств по указанию в проекте или технических условиях на сосуд (сборочную единицу, деталь);

г) сварные соединения элементов перлитного класса с элементами из сталей аустенитного класса в 100 %-ном объеме;

д) перекрываемые укрепляющими кольцами участки сварных швов корпуса, предварительно зачищенные заподлицо с наружной поверхности корпуса;

е) прилегающие к отверстию участки сварных швов корпуса, на которых устанавливаются люки и штуцера, на длине равной (

Примечания :

1. Контроль сварных соединений, в том числе и мест сопряжений сварных соединений, сосудов 5б группы или работающих без давления (под налив), ультразвуковым (или радиографическим) методом, допускается не проводить по усмотрению предприятия - изготовителя, если нет других указаний в проекте.

2. Контроль сварных швов опор следует проводить при наличии указания в проекте.

Места контроля сварных соединений сосудов 3, 4-й, 5а и 5б групп ультразвуковым или (радиографическим) методом должны быть указаны в технической документации на сосуд.

Перед контролем соответствующие участки сварных соединений должны быть так замаркированы, чтобы их можно было легко обнаружить на картах контроля (или радиографических) снимках.

При выявлении недопустимых дефектов в сварном соединении сосудов 3, 4, 5а и 5б групп подлежат обязательному контролю тем же методом все однотипные сварные соединения, выполненные данным сварщиком (оператором), по всей длине соединения.

При невозможности осуществления контроля сварных соединений ультразвуковым (или радиографическим) методом из-за их недоступности (ввиду конструктивных особенностей сосуда), ограниченности технических возможностей этих методов или по условиям техники безопасности или неэффективности (в частности, при наличии конструктивного зазора) контроль качества этих сварных соединений следует проводить по нормативному документу для контроля недоступных швов.

Приложение В
(специальное)
Особенности визуального и измерительного контроля при
техническом диагностировании оборудования в процессе
его эксплуатации и подход к оценке норм браковки.

При эксплуатации сосудов появляются новые дефекты, поэтому дефектоскопист должен учитывать рекомендации методических указаний, изложенных в РД 03-421-01 относительно технического диагностирования оборудования и экспертизе промышленной безопасности. Работы по подготовке сосуда к техническому диагностированию выполняется организацией - владельцем сосуда. Работы по подготовке сосуда завершаются оформлением акта о готовности сосуда и передачей акта специализированной организации, выполняющей техническое диагностирование. Работы по техническому диагностированию сосудов и аппаратов должны выполняться по программе, разрабатываемой на сосуд или группу сосудов на основании методических указаний с учетом требований норм и правил, предъявляемым к сосудам при их изготовлении.

Особое внимание следует обращать на проведение внутреннего и наружного осмотра.

Наружный и внутренний осмотр проводится с целью выявления дефектов, которые могли возникнуть, как в процессе его эксплуатации, так и при его изготовлении, транспортировке и монтаже. При осмотре защитные покрытия и изоляция подлежат удалению на участках поверхности сосуда, где имеются явные признаки нарушения их целостности. Необходимость удаления защитного покрытия и изоляции на других участках поверхности сосуда определяется специалистами организации, проводящей техническое диагностирование. Осмотру подлежат все доступные сварные соединения сосуда и его элементы в целях выявления в них следующих дефектов:

Свищей и пористости швов;

Подрезов, наплывов, прожогов, незаплавленных кратеров;

Смещений и уводов кромок стыкуемых элементов свыше норм, предусмотренных «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», «Правилами проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных» и ГОСТ Р 52630-2006 ;

Несоответствий форм и размеров требованиям технической документации;

Деформаций поверхности сосуда (в виде вмятин, отдулин и т.п.).

Особое внимание следует обратить на состояние сварных соединений в зонах концентрации напряжений (местах приварки горловины люка и штуцеров обечайке и днищам, особенно в зонах входных и выходных штуцеров, на участках пересечения швов, в зонах сопряжений обечайки с днищами, места приварки опорных узлов и др.), а также возможного скопления конденсата на участках проведенного ранее ремонта.

Для сосудов из аустенитных сталей особое внимание при осмотре следует уделять местам возможного попадания на поверхность сосуда воды, паров и влажных газов ввиду возможного образования в этих местах коррозионных трещин.

При проведении осмотра в случае возникающих сомнений по классификации и размерам выявленных дефектов следует применять лупу 4 - 10 кратного увеличения, а также по усмотрению специалиста, выполняющего осмотр, любого из неразрушающих методов контроля.

Оценка выявленных при осмотре деформированных участков поверхности сосуда производится путем замера максимального прогиба и площади деформированного участка. Замер производится мерительным инструментом обеспечивающим погрешность ±1,0 мм.

При исследовании коррозионного состояния сосудов устанавливают:

Степень коррозионно-эрозионного поражения внешней и внутренней поверхности сосудов в результате эксплуатации;

Наличие (отсутствие) механических повреждений, дефектов, допущенных ранее при изготовлении сосуда, которые могут повлиять на дальнейшую безопасную эксплуатацию сосуда.

На теплообменном и другом оборудовании, где часто производится открывание и закрывание крышек, люков-лазов и т.п., необходимо осматривать крепеж на соответствие требованиям НТД.

При внутреннем осмотре определяют наличие (отсутствие) коррозионных трещин, язв, питтингов, сплошной коррозии на основном металле, сварных швах и околошовной зоне, в местах ремонта, застойных зонах, под осадком, в зоне скопления конденсата, где возможно возникновение щелевой коррозии.

Необходимость и объем демонтажа теплоизоляции определяется специалистами, проводящими обследование, с учетом требований РД 03-421-01 .

Осмотру подлежат внешние опоры аппаратов, при этом необходимо проверять сварные швы приварки опор к корпусу аппарата.

Коррозионные механические дефекты оцениваются по глубине, площади и количеству на 1 дм 2 (или 1 м 2). Глубина проникновения коррозии определяется после удаления продуктов коррозии.

Скорость сплошной коррозии оценивается в соответствии с ГОСТ 9.908-85 .

При обнаружении трещин коррозионного или механического характера эксплуатация сосуда должна быть прекращена. По результатам ВИК обследования составляется акт, в котором указывается дата, место обследования, регистрационный и заводской номер сосуда, обнаруженные дефекты, состояние поверхности, скорость коррозии конструкционных материалов.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали при высокой стойкости против сплошной, язвенной, щелевой и точечной (питтинговой) коррозии могут быть подвержены межкристаллитной коррозии (МКК). МКК характеризуется избирательным разрушением границ зерен металла и приводит к резкому снижению его прочности, МКК обычно появляется в зоне термического влияния сварных швов. В некоторых средах (азотная кислота, нитраты и т.п.) возможно проявление ножевой коррозии по линии сплавления сварного шва, которая является разновидностью МКК.

В растворах хлоридов, щелочах, ряде кислот при повышенных температурах (обычно выше 40 - 50 °С) нержавеющие стали подвержены коррозионному растрескиванию (КР). Наибольшая вероятность КР возникает в местах наибольших остаточных напряжений после сварки, штамповки, гибов и т.п.

Объем дефектоскопического контроля сварных соединений сосудов зависит от группы сосуда, от объема контроля, выполненного в процессе изготовления сосуда и в процессе его эксплуатации, и определяется в каждом конкретном случае специалистами (экспертами), проводящими диагностирование. Необходимо, чтобы объем полученной информации позволял достоверно судить о состоянии всех несущих элементов сосуда. Объем контроля сварных соединений определяется в процентах от общей длины сварных швов.

В случае обнаружения при осмотре сосуда локально деформированных участков (например: вмятин, выпучин, гофров и т.п.) деформированную зону и прилегающую к ней зону недеформированного металла шириной 100 - 150 мм по периметру следует подвергнуть контролю на отсутствие трещин с помощью ВИК или ЦД.

Дефектоскопии следует подвергать элементы оборудования или сварные соединения, качество металла которых вызывает сомнения.

При назначении выборочного (неполного) контроля сварных соединений следует учитывать, что участки пересечения продольных и кольцевых сварных швов обязательно должны быть включены в зоны контроля.

При технической невозможности осмотра внутренней или наружной поверхности сосуда объем контроля сварных соединений независимо от группы сосуда должен выполняться по программе, согласованной между Заказчиком и Исполнителем.

При обнаружении недопустимых дефектов в процессе исходного контроля сварных соединений объем контроля должен быть увеличен не менее чем вдвое. В первую очередь следует расширить зоны контроля сварных швов в местах обнаружения дефектов.

Замеры твердости основного металла и сварных соединений сосудов рекомендуется производить в следующих случаях:

Если показатель твердости является одной из определяющих характеристик свойств основного металла и сварных соединений по паспорту и в результате условий эксплуатации сосуда (температура, давление, среда) или в результате аварийной ситуации могли произойти необратимые изменения этого показателя;

Для оценки механических свойств по показателю твердости в случае необратимых изменений этих свойств в результате условий эксплуатации сосуда или в результате аварийной ситуации;

Для оценки механических свойств в случае необходимости идентификации основных и сварочных материалов при отсутствии сведений о них (например, при утрате и связанной с этим необходимостью восстановления паспорта сосуда), а также в случае необходимости идентификации импортных сталей рекомендуется применять также стилоскопы.

Инструменты для проведения исследований (краткий перечень)

Лупы, в том числе измерительные от 4 до 10 кратного увеличения по ГОСТ 25706-83 .

Щупы № 2 - 4.

Нутромеры микрометрические по ГОСТ 10-88 и индикаторные по ГОСТ 868-82 .

Шаблоны (типа УШС по ТУ 1021.338-83) радиусные и др.

Линейки измерительные металлические по ГОСТ 427-75 .

Магниты металлические.

Измерительные металлические рулетки.

Зеркала, эндоскопы и бароскопы.

Стилоскопы и измерители твердости.

Лазерные нивелиры и дальномеры.

Библиография

1. Ермолов И.Н. "Сопоставление европейских и российских стандартов на УЗК сварных соединений". Доклад на международной конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности". Москва, апрель 2003 г.

3. Бобров В.А., Орлова Л.В. и др. «Методика и средства ультразвукового контроля для сварного химического и нефтехимического оборудования». Ж. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», № 2, 2004 г.

4. Бобров В.Л. «Неразрушающие методы контроля при изготовлении и эксплуатации сосудов и аппаратов», Ж. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», № 11, 2005 г.

6. Справочник. Неразрушающий контроль, том 1. Визуальный контроль, под ред. В.В. Клюева // М. «Машиностроение», 2006 г.

7. Справочник. Неразрушающий контроль, том 3. Ультразвуковой контроль, под ред. В.В. Клюева // М. «Машиностроение», 2004 г.

8. Терминологический словарь по промышленной безопасности // М. Госгортехнадзор России, 2004 г.

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

, (3)

Для поперечных волн она определяется по формуле

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , понимая под этим удельную мощность излучателя , т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил	1180	2670	-	3,15
Воздух	0,1	330	-	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	-	1,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально .

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле

, (6)

Коэффициент затухания от времени определяется

, (7)

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике .

, (9)

где A 1 – амплитуда первого сигнала,
A 2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

, (13)

где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z 1 >Z 2 , то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ .

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука - отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука - расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

где D - поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
r - расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая мощность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия , представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, - с активным воздействием на вещество и - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

RESEARCH COMMUNICATION ULTRASONIC VELOCITY WITH THE MECHANICAL PROPERTIES OF CAST STEEL

Alexandr Pavlov

candidate of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Department of Physics and the East Kazakhstan state university of technology it. S. Amanzholov, Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Alexandr Pavlov

master of Science, Head of Laboratory of technical diagnostics and control “Vostokmashzavod” JSC,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Almira Zhylkashynova

candidate of Physical and Mathematical Sciences , Head of the Laboratory of energy saving and alternative energy a national scientific laboratory for communities EKSU S. Amanzholov,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Zarina Satbaeva

master of Science, Researcher of the East Kazakhstan State University, S. Amanzholov,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

АННОТАЦИЯ

Настоящая научная работа посвящена исследованию связи скорости ультразвука с пластическими характеристиками и ударной вязкостью литой стали 20ГЛ, в структурно-неоднородном состоянии.

Одной из важнейших задач в физике твердого тела является поиск новых методов контроля и закономерностей в модели поведения физических характеристик металлов при внешнем энергетическом воздействии на них.

По результатам эксперимента выявлена математическая зависимость, позволяющая определить значение ударной вязкости по скорости ультразвука в металле и модулю упругости.

ABSTRACT

This scientific work is devoted to the study of communication ultrasound velocity with plastic properties and toughness cast steel 20GL in structurally inhomogeneous state.

One of the major problems in solid state physics is the search for new control methods and patterns in the behavior patterns of the physical characteristics of metals in the external radiation on them.

According to the results of the experiment revealed mathematical relationship, which allows to determine the toughness of the value of the speed of ultrasound in the metal and elastic modulus.

Ключевые слова: ударная вязкость, скорость ультразвука, модуль упругости, сталь 20ГЛ, неразрушающий контроль.

Keywords: toughness, speed of ultrasound, the modulus of elasticity, 20GL steel, non-destructive testing.

Введение.

Непрерывно возрастающий уровень требований к качеству деталей предполагает развитие новых, более точных методов неразрушающего контроля механических свойств сталей. Ударная вязкость при пониженной температуре, является определяющим параметром при оценке качества деталей эксплуатируемых при экстремальных температурных условиях и знакопеременных нагрузок.

Внутренние напряжения металла оказывают решающее влияние на механические свойства деталей, в частности на ударную вязкость, твёрдость, предел прочности и текучести. Зная комплекс физико-механических свойств, и внутренние напряжения, можно судить о поведении детали в конкретных условиях. При измерении ударной вязкости разрушающим способом можно лишь приближенно охарактеризовать склонность всего изделия к хрупкому разрушению, так как испытанию подвергается образец, вырезанный из конкретной части детали или треф пробы, которая в свою очередь не имеет отношения к самой детали. Неразрушающие испытания дают возможность провести измерения скорости ультразвуковой волны и тем самым значения ударной вязкости почти в любом месте изделия, что очень важно, например, для таких деталей как рама боковая и балка надрессорная.

Методы неразрушающего контроля ударной вязкости и упругости в настоящее время рассмотрены для конструкционных сталей перлитного класса в виде кованых заготовок и проката , для малоуглеродистых и низколегированных сталей после прокатки и термической обработки . В работе было проведено изучение корреляционных зависимостей между скоростью ультразвука, твердостью и ударной вязкостью в горячекатаной листовой стали 09Г2С. В отличие от вышеприведенных проката и кованых заготовок, неоднородность структуры литого металла снижает точность ультразвукового контроля указанных характеристик. Данная тематика частично рассмотрена в работе , где предлагается акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля внутренних дефектов литых деталей подвижного состава.

Методика проведения анализа.

Скорость распространения продольной ультразвуковой волны, генерируемой преобразователем с частотой 4 MHz, определяли на приборе УЗТ А 1209, используя режим калибровки на заданную толщину металла. Для чего, были изготовлены образцы с концентратором KCU и KCV, согласно ГОСТ 9454 с разных плавок стали марки 20ГЛ, в количестве 20 шт., затем, на образце замеряли скорость распространения продольной и поперечной ультразвуковой волны при комнатной и пониженной температуре. Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре IMPACTP-300 с автоматической системой управления.

Статические испытания на растяжение цилиндрических образцов диаметром 10 мм проводили при комнатной температуре на машине одноосного статического нагружения “WAW-600C” с записью диаграмм растяжения в соответствии с ГОСТ 1497 , с измерением физического предела текучести, временного сопротивления, относительного равномерного удлинения и сужения.

Результаты исследований и их обсуждение.

Согласно проведенным исследованиям ударная вязкость KCU связана с работой упругопластической деформации до появления трещины и с работой расширения трещины на все сечение образца. Ударная вязкость KCV, примерно равна второй работе. Таким образом, формула для ударной вязкости:

где: , и – константы, определяемые из опыта. В предлагается похожая формула связи К CU и V :

Здесь – скорость поперечной волны.

Формулу (1) можно обосновать термодинамически. Первый закон термодинамики гласит, что изменение энергии системы равно работе внешних сил и полученному количеству теплоты:

Испытание на ударную вязкость осуществляется ударом. Следовательно, процесс разрушения образца можно считать адиабатическим. Тогда и . Энергия отличается от не только температурой, но и другим расположением точек равновесия атомов, и энергией остаточной деформации:

, (4)

где: и - средние значения остаточных напряжений и деформаций, а и – константы. Тогда, заменяя через (, где - модуль упругости), получаем:

где: и – постоянные, определяемые из опыта. Модуль упругости связан со скоростью звука известным соотношением:

где: – плотность стали.

Формула (5) получается и из диаграммы растяжения образца (рис. 1).

Рисунок 1. Типичная диаграмма растяжения стали 20ГЛ. Указаны координаты эллиптической функции отклика

Линейный участок диаграммы описывает упругую деформацию, которая растет согласно закону Гука . Деформация будет оставаться упругой до предела текучести . Следовательно, работа внешней силы на этом участке будет:

Участок АВ описывает упруго-пластическую деформацию. Как показано в этот участок диаграммы можно моделировать эллипсом с полуосями и .

Работа внешней силы на этом участке будет определяться площадью прямоугольника со сторонами – , и 0,25 площади эллипса (0,25):

Нисходящий участок диаграммы ВС, описывающий разрушение образца, тоже моделируется эллипсом с полуосями: и . Значит, работа внешних сил на этом участке будет:

Согласно определению ударной вязкости она равна отношению работы деформирования и разрушения к площади сечения образца. Полная работа деформирования равна

где: – объем тела. В нашем случае , где – длина образца, S – площадь поперечного сечения. Следовательно:

Сложив (7), (8) и (9) получим полную работу внешних сил:

Поскольку диаграммы получались при растяжении образца, а разрушение образца при определении ударной вязкости происходит при деформации изгибом, то в предыдущей формуле необходимо поставить коэффициент пропорциональности, т. е.

Используя (7), (8) и (9), для получаем:

Используя опытные данные для соответствующих значений и , приходим к следующей формуле, связывающей ударную вязкость и скорость звука

(11)

Здесь – предел текучести. Как показано в , этот предел можно определить серийным дефектоскопом.

В качестве доказательства работоспособности данной формулы было проанализировано около 50 образцов с разных плавок, методом сравнения показаний маятникового копра и значений, полученных расчетом по формуле (11). Установлено, что при значении ударной вязкости определенной на маятниковом копре в пределах 14–24 Дж/см 2 , погрешность измерения составляет около 15 %, что конечно недопустимо. Однако в пределах от 24 до 50 Дж/см 2 , выведенная формула достаточно точно отражает реальное значение ударной вязкости с погрешностью порядка 3 %.

Например: образец плавки № 311 имеет значение , , подстановка этих чисел в формулу (11) дает Дж/см 2 , значение определенное по маятниковому копру – 43,0 Дж/см 2 . Образец плавки № 238 , , , значение по маятниковому копру – 37,2 Дж/см 2 .

Так как при получении формулы (11) использовалась полная работа деформации и разрушения, следовательно, данную формулу можно использовать как для измерения KCV так и для KCU, с учетом изменения коэффициентов.

Выводы:

1. Полученная формула (11), в сочетании с указанной методикой замера скорости продольной ультразвуковой волны вполне могут быть использованы при оценке ударной вязкости стали 20ГЛ, в интервале значений от 24 до 50 Дж/см 2 .

2. Достаточно простая реализация данного метода, дает возможности разработки малогабаритной аппаратуры с последующим созданием методики контроля ударной вязкости по частотным и временным характеристикам, при пониженных температурах. Данный метод позволит избежать трудности с изготовлением образцов с V-образным надрезом, контролем геометрических размеров и тем самым повысить точность измерения значения ударной вязкости. Также положительными факторами будет экономия металла, трудовых и временных ресурсов для изготовления образцов.

Список литературы:

1. Бобров А.Л. Повышение достоверности неразрушающего контроля литых деталей подвижного состава: Дисс. канд. техн. наук: 05.02.11 / СГУПС. – Новосибирск, 2000. – 142 с.

2. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.

3. ГОСТ 1497-87 Металлы. Методы испытаний на растяжение.

4. Зуев Л.Б., Полетика И.М., Ткаченко В.В., Громов В.Е. Ультразвуковой контроль механических свойств стали в структурно-неоднородном состоянии. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Вестник ТГУ, т. 5, вып. 2–3, Томск, 2000 г.

5. Куликова О.А. Разработка методики ультразвукового контроля ударной вязкости горячекатаной листовой стали: Дис. Канд. тех. наук: 05.16.01/ТГПУ. – Томск, 2000. – 109 с.

6. Павлов А.М., Павлов А.В. Особенности упругопластической деформации стали 20ГЛ. // Локомотивы. ХХI век: материалы III Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения д.т.н., профессора В.В. Стрекопытова, Санкт-Петербург, 17–19 ноября 2015 – С. 100–105.

7. Сухарев Е.М. Исследование связи скорости ультразвука с ударной вязкостью и разработка методики контроля качества конструкционных сталей: дисс. канд. техн. наук: 05.02.11 / НГТУ. – Новосибирск, 2000. – 132 с.