Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ металлических конструкций грузоподъемных машин и методов их контроля 14
1.1. Конструктивное исполнение и технологические особенности типовых металлических конструкций грузоподъемных машин 14
1.2. Выбор объекта исследования 15
1.3. Исследование сварных соединений и типов дефектов, характерных для сварных соединений грузоподъемных машин 18
1.4. Выбор оптимального метода и схем контроля для грузоподъемных машин 21
1.5. Исследование и классификация волн дифракции 22
1.6. Выводы к главе 1 26
Глава 2. Разработка методологии ультразвукового контроля дефектоскопами с антенными решетками стыковых сварных соединений 28
2.1. Исследование существующих технологий определения размеров дефектов с применением явлений дифракции 28
2.2. Разработка метода определения размеров дефектов с применением явлений дифракции для антенной решетки 33
2.3. Достоинства и недостатки утвержденных методических документов по контролю с помощью антенной решетки 34
2.4. Выводы к главе 2 36
Глава 3. Разработка контрольных образцов и оценка возможностей дефектоскопов с антенными решетками 38
3.1. Достоинства и недостатки различных типов ультразвуковых дефектоскопов с антенными решетками 38
3.2. Конструкция и принцип действия антенных решеток 40
3.3. Исследование разрешающей способности дефектоскопов с антенными решетками 46
3.4. Визуализация отражателей типа «пропил» 56
3.5. Визуализация типовых дефектов сварных соединений 58
3.6. Выводы к главе 3 61
Глава 4. Разработка технологии ультразвукового контроля антенными решетками односторонних стыковых сварных соединений со скосом одной кромки 63
4.1. Описание эксперимента 63
4.2. Разработка образцов для настройки чувствительности. Погрешность измерения 68
4.3. Разработка схемы контроля для выявления и оценки фактической высоты непровара 71
4.4. Оценка применимости амплитудного критерия 79
4.5. Разработка методических рекомендаций по проведению контроля ультразвуковыми дефектоскопами с антенными решетками 82
4.6. Атлас дефектов 85
4.7. Выводы к главе 4 88
Заключение 90
Список литературы 92
- Исследование сварных соединений и типов дефектов, характерных для сварных соединений грузоподъемных машин
- Разработка метода определения размеров дефектов с применением явлений дифракции для антенной решетки
- Конструкция и принцип действия антенных решеток
- Разработка образцов для настройки чувствительности. Погрешность измерения
Введение к работе
Актуальность
Для обеспечения промышленной безопасности необходим комплекс мероприятий, одним из которых является улучшение качества организации процесса неразрушающего контроля (НК), в число которого входят повышение уровня подготовки персонала лабораторий НК, внедрение современных средств, а также разработка методических документов. Аппаратура, визуализирующая внутреннюю структуру материала, находит все большее применение в практике НК, но внедрение ультразвуковых дефектоскопов с антенными решетками (АР) ограничивает отсутствие соответствующей нормативно-технической документации (НТД). Поэтому исследование технологии контроля сварных соединений с применением оборудования, позволяющего проводить оценку и определение фактических размеров несплошностей, является в настоящее время актуальной проблемой.
Состояние проблемы
Наиболее распространенным и востребованным физическим методом неразрушающего контроля является ультразвуковой контроль (УЗК), к одному из главных преимуществ которого можно отнести высокую вероятность выявления наиболее опасных плоскостных дефектов: трещин, непроваров и несплавлений. Недостатком УЗК, кроме необходимости разработки специальных методик и технологических карт при дефектоскопии изделий различных типов, является сложная интерпретация результатов контроля.
Результатом контроля ультразвуковыми дефектоскопами с пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП) является эхо-сигнал от отражателя, который характеризуется амплитудой. Косвенные характеристики типа «эквивалентная площадь» и «условные размеры», определяемые для оценки степени опасности дефектов (несплошностей, не удовлетворяющих требованиям НТД) в большинстве случаев слабо связаны с реальными размерами.
В последние годы в связи с развитием вычислительной техники перспективными к применению в УЗК стали когерентные методы визуализации несплошностей. Когерентные методы используют больше информации о несплошности, что позволяет получать изображения с очень высоким разрешением - порядка длины волны, с хорошим соотношением сигнал/шум. Анализ измерений поля позволяет сделать заключение о размерах, форме и ориентации выявленной несплошности. Когерентные методы реализуются в приборах, работающих с ультразвуковыми АР.
Акустические изображения, получаемые дефектоскопами с АР, состоят в основном из набора «блестящих точек», формируемых отражающими элементами материала, в качестве которых могут выступать нормально ориентированные к лучу поверхности, уголковые отражатели, точечные и тонкие протяженные отражатели, границы трещин, поверхности с диффузным от-
ражением и т.п. Поэтому интерпретация образов требует определенной подготовки оператора.
В результате контроля дефектоскопами с фазированными антенными решетками (ФАР) с электронным сканированием формируется секторная развертка области сканирования, на котором амплитуда эхо-сигнала от отражателя кодируется цветом. Применение дефектоскопов с ФАР позволяет излучать в объект контроля качающийся в плоскости падения ультразвуковой волны ультразвуковой луч, фокусировать его и получать изображения. В другом типе приборов с АР реализуется алгоритм фокусируемой синтезируемой апертуры (SAFT - Synthetic Aperture Focusing Technique).
Особую важность приобретает использование АР при УЗК сварных соединений небольшой толщины (от 6 до 20 мм). Существенно повышающий информативность контроля дифракционно-временной метод (TOFD - Time Of Flight Diffraction), основанный на приеме волн, рассеянных на концах плоскостных дефектов, для объектов контроля такой толщины практически не применяется. Метод абсолютного времени прихода (ААТТ - Absolute Arrival Time Technique) в российских НТД не упоминается, методических рекомендаций при работе с АР не существует.
Цель данной работы - разработка и совершенствование методов и технологии ультразвукового контроля с применением дефектоскопов с антенными решетками, повышающие информативность результатов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
определение типовых сварных соединений металлоконструкций грузоподъемных машин;
анализ возможных методов и средств определения фактической высоты плоскостных дефектов;
разработка типов контрольных отражателей, анализ полученных акустических изображений;
контроль наиболее распространенных сварных соединений с их последующим вскрытием;
анализ акустических изображений несплошностей в сварных соединениях, исследование топографии внутренних дефектов, определение информативных признаков разных типов несплошностей;
разработка алгоритма классификации несплошностей по информативным параметрам;
разработка «атласа дефектов», дающего возможность определять тип и размер дефектов сварных соединений, основываясь на данных, получаемых с помощью дефектоскопа, работающего с АР;
разработка новой технологии определения фактических размеров несплошностей (высоты непровара в стыковых односторонних сварных соеди-
нений со скосом одной кромки) по акустическим изображениям, получаемым ультразвуковым дефектоскопом с АР.
Методы исследования
Данные по дефектности сварных соединений получены по результатам визуального контроля, ультразвуковой дефектоскопии и ультразвукового исследования с помощью дефектоскопов с АР, а также металлографического анализа и статистических методов обработки результатов экспериментов. Для теоретических исследований применялись математические модели трассировки лучей.
Выполненные исследования основывались на научных трудах в области
неразрушающего контроля ряда отечественных и зарубежных ученых, в
числе которых Н.П. Алешин, В.Г. Щербинский, В.Н. Волченко, А.К. Гурвич,
И.Н. Ермолов, В.В. Клюев, А.Х. Вопилкин, Н.Н. Коновалов,
А.А. Самокрутов, В.Г. Шевалдыкин и многих других ученых и специалистов.
Научная новизна работы
Предложен и экспериментально подтвержден способ определения фактической, а не условной высоты непроваров в односторонних стыковых сварных соединениях со скосом одной кромки по акустическим изображениям.
Разработана новая технология контроля дефектоскопами с антенными решетками, позволяющая определять размеры отражателей различного типа.
Получены дополнительные информационные признаки идентификации непровара со стороны скоса по разнице амплитуд сигналов от угла и конца непровара.
Практическая ценность работы
Использование данного способа позволяет перейти в некоторых случаях от дефектоскопии к дефектометрии.
Усовершенствована нормативная база по ультразвуковому контролю сварных соединений грузоподъемных машин.
Разработаны методические рекомендации по контролю сварных соединений грузоподъемных машин.
Предложены контрольные отражатели для настройки уровня чувствительности, позволяющего обнаружить сигналы от дифракционного рассеяния на конце непровара.
Создан атлас дефектов односторонних стыковых сварных соединений со скосом одной кромки.
Реализация и внедрение результатов работы:
на основе выполненных исследований и разработок созданы паспорта на экзаменационные образцы сварных соединений для проведения экзаменов и аттестации специалистов I и II уровня в соответствии с Правилами аттестации персонала в области неразрушающего контроля (ПБ 03-440-02)
для Независимого органа по аттестации персонала НУЦ «КАСКАД» МГУПИ;
разработан для Российского общества по неразрушающему контролю и технической диагностике (РОНКТД) интерактивный расширенный курс по ультразвуковому контролю, включающий теорию и практику использования дефектоскопов с АР при контроле сварных соединений грузоподъемных машин;
для ФГУП «НПО «Техномаш» проведена исследовательская работа, заключающаяся в сравнении возможностей различных дефектоскопов с АР, определению разрешающей способности приборов;
на Шимкентском нефтеперерабатывающем заводе «ПетроКазахстан» опробована разработанная методика контроля сварных соединений небольшой толщины (до 20 мм);
разработаны Методические рекомендации по ультразвуковому контролю дефектоскопами с антенными решетками сварных соединений грузоподъемных машин, утвержденные ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность».
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены на:
XIX Всероссийской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, г. Самара, СГАУ им. Королева, 6-8 сент. 2011;
XIV Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию МГУПИ, г. Сочи, 3-7 окт. 2011;
2-ом Научно-практическом семинаре «Ультразвуковая томография как метод контроля сосудов и аппаратов, трубопроводов, листового проката, а также сооружений», ОАО «НИИХиммаш» г. Москва, 3-5 окт. 2011;
I Всероссийском конгрессе молодых ученых, Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 10-13 апр. 2012.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 1 без соавторов, 2 в журналах, признанных ВАК научными изданиями.
Структура и объем диссертации
Исследование сварных соединений и типов дефектов, характерных для сварных соединений грузоподъемных машин
Дефекты различаются размерами, формой, расположением, средой, заполняющей их полости. К поверхностным дефектам относятся подрезы, наплывы, кратеры, прожоги, свищи; к внутренним - непровары, несплавления, шлаковые включения, расслоения. Трещины, поры и раковины могут располагаться и на поверхности, и внутри объекта контроля. Трещины, непровары, несплавления и подрезы относят к плоскостным дефектам. Они протяженные, с различным раскрытием и глубиной. В полости дефектов могут быть окислы, смазка, нагар и другие загрязнения. Для трещин, несплавлений, непроваров и подрезов характерны острые окончания, а для трещин также резкие очертания. Поры, раковины - объемные дефекты, имеющие округлую форму.
Неразрушающий контроль сварных конструкций при техническом диагностировании грузоподъемных машин должен быть направлен на выявление трещин в сварных швах и основном металле, возникших в процессе их эксплуатации.
Ультразвуковой контроль - наиболее универсальный из физических методов неразрушающего контроля. Хорошая выявляемость при ультразвуковом контроле непроваров, несплавления и трещин, в том числе трещин, возникающих в процессе эксплуатации, позволяет широко использовать этот метод контроля как при контроле качества изготовления и ремонта конструкций, так и при оценке их технического состояния в процессе эксплуатации грузоподъемных машин.
Следует отметить, что применение ультразвукового контроля связано со сложной расшифровкой результатов контроля, а методики контроля различных типов соединений существенно различаются. Кроме того, сварные соединения грузоподъемных машин имеют особенности, осложняющие их ультразвуковой контроль: возможность использования на ряду с толстостенными элементами элементов незначительной толщины и соединений с конструктивными непроварами т.е. соединений типа ТІ и ТЗ.
Поэтому потребовалась проведение дополнительных исследований выявления различных видов дефектов в сварных соединениях при ультразвуковом контроле металлических конструкций грузоподъемных машин.
Для сварных соединений толщиной 10...220 мм объектов котлонадзора получены корреляционные зависимости между величинами реальных дефектов и амплитудами эхо-сигналов [96].
Возможности и особенности ультразвукового контроля сварных соединений, характерных для металлических конструкций грузоподъемных машин, оценивались на образцах, сваренных с соблюдением штатной технологии, в которых появление дефектов специально провоцировалось. Часть образцов независимо от результатов ультразвуковой дефектоскопии проходила рентгеновский контроль, часть подлежала вскрытию и металлографическому анализу.
По результатам вскрытия установлено, что наиболее характерными плоскостными внутренними дефектами в сварных соединениях являются непровары. Глубина непровара в стыковых соединениях определяется типом соединения и толщиной свариваемых элементов (рис. 1.2). В угловых швах технологические непровары, встречаются значительно реже и имеют, как правило, меньшую глубину.
Основной метод контроля сварных соединений небольшой толщины (6 -16 мм) ультразвуковыми преобразователями с одним углом ввода - эхо-импульсный. В подавляющем большинстве случаев контроль ведется по совмещенной схеме наклонным преобразователем. Выбор браковочного уровня осуществляется в соответствии с нормативным документом, в котором указан либо размер отражателя (как правило, им служит плоский угловой отражатель типа «зарубка»), либо дана эквивалентная площадь допустимого дефекта.
Предварительно перед контролем образцов выбранного типа сварных соединений (С8) были исследованы угловые швы, после ультразвукового контроля был проведен рентгеновский контроль. Контроль проводился аналогично контролю пьезоэлектрическими преобразователями с одним углом ввода эхо-методом по совмещенной схеме, руководствуясь амплитудным критерием. Использовалась антенная решетка частотой 4 МГц с размером контактной поверхности 46 мм. Как упоминалось ранее, т.к. непровары в угловых швах имеют меньшие размеры, чем в стыковых, то измерить высоту непровара не представилось возможным. Результаты контроля с помощью антенной решетки и пьезопреобразователем оказались сопоставимы.
Новые информационные признаки для идентификации типа и размера несплошности выявились при контроле односторонних стыковых сварных соединений с применением совместно эхо-метода и методов, основанных на явлениях дифракции. Рассеяния поперечных волн, возбуждаемые и принимаемые наклонными преобразователями, исследованы теоретически и экспериментально [51].
Существует также раздел математики [8, 9, 10], в котором решается задача получения информации о неоднородности среды по откликам на воздействия различной природы. Особенностью является условие, что размер области наблюдения во много раз превышает размер неоднородности среды. Вводится оператор рассеяния, связывающий волновые потоки, поступающие в область наблюдения, и выходящие из нее. В операторе рассеяния заключены информация о внутренней структуре среды. Доказано [9], что в среде с одним типом волн (газ, жидкость) оператор рассеяния является полным и однозначным. В настоящее время не найдено путей в решении обратной волновой задачи в виде, пригодном для восстановления поверхностей дефектов в металле.
Разработка метода определения размеров дефектов с применением явлений дифракции для антенной решетки
В диссертации предлагается реализовать метод ААТТ, используя акустические изображения, получаемые при контроле ультразвуковыми дефектоскопами с антенными решетками. Следует по акустическому изображению определять высоту трещины как разницу в координатах и расположении сигналов от корня и вершины трещины.
Метод ААТТ на практике практически не применяется, в российских нормативно-технических документах не упоминается, методических рекомендаций для проведения ультразвукового контроля дефектоскопами с антенными решетками не существует.
В данной работе представлены практические результаты, полученные методом ААТТ для дефектоскопа, работающего с антенными решетками.
Авторами [42] была предложена формула расчета амплитуды эхо-сигнала дифрагированной волны от края вертикальной полуплоскости с малым раскрытием. Доказано, что амплитуда дифрагированной волны приблизительно равна амплитуде отражения от бокового цилиндрического можно оценить разницу амплитуд от, например, цилиндрического отражателя диаметром 2 мм в СО-2. По расчетной формуле, приведенной в [42]: получаем, что амплитуда эхо-сигнала, полученная дифракционным рассеяние, на 17 дБ меньше амплитуды эхо-сигнала, полученного отражением от цилиндрического отверстия диаметром 2 мм в СО-2.
В настоящее время в России существует рекомендованный к использованию руководящий документ в нефтяной отрасли [48]. Однако в данном документе приведены примеры акустических изображений для одного прибора - «OmniScan». Упоминается, что возможно осуществлять «секторное сканирование» (рис. 2.5), однако также даны рекомендации только для осуществления «линейного сканирования» (рис. 2.6), причем с двумя углами (рис. 2.7). К сожалению, не все существующие приборы могут осуществлять контроль под двумя углами одновременно. При использовании линейного сканирования теряется одно из достоинств контроля антенной решетки - наглядность и простота интерпретации. Также для настройки требуются для контроля одного сварного соединение зарубки двух размеров - выбранные в соответствии с РД под углами, один из которых контролирует верхнюю часть шва и валик усиления, другой — корень и нижнюю часть шва. Также оценка проводится только по «амплитудному критерию», причем условные размеры рекомендуется измерять по экрану «минус 6 дБ». Рисунок 2.7 - Линейное сканирование с двумя углами ввода
Разрабатываемый за границей документ по контролю фазированными антенными решетками [47] требует осуществление динамической фокусировки (DDF - Dynamic Depth Focusing), т.е. должна быть фокусировка в каждую точку объекта контроля, что для ручных переносных приборов трудноосуществимо. Также должна быть выполнена корректировка по углу (ACG) и по времени (TCG). Для контроля толщин от 6 до 25 мм в качества калибровочных образцов предлагаются использовать минимум три цилиндрических отверстия диаметром (1±0,2) мм .
Использование для настройки и калибровки дефектоскопов с решетками цилиндрических отверстий разумно, т.к. они являются ненаправленными отражателями. Однако в нашей стране, как уже упоминалось ранее, широко распространены контрольные отражатели типа «зарубок», хорошо имитирующие плоскостные дефекты. К сожалению, для выбора браковочного уровня при работе с АР они подходят, т.к. на акустическом изображении зарубки более 1,5 мм могут присутствовать два сигнала (рис. 2.9).
В связи с тем, что еще не разработаны нормы браковки при работе с ультразвуковыми антенными решетками эхо-методом, оценка дефектности продукции по дифракционному полю требует не только теоретического исследования, но и практических результатов с привлечением методов статистической обработки результатов эксперимента. В зарубежной практике контроля ультразвуковыми приборами с преобразователями для определения высоты отражателя типа «трещина» используют методы TOFD (time-of-flight-diffraction) - дифракционно-временной метод; RATT (relative arrival time technique) - метод относительного времени прихода; ААТТ (absolute arrival time technique) - метод абсолютного времени прихода.
Автором предложен и разработан для измерения высоты непроваров в типовых сварных соединениях грузоподъемных машин аналог метода ААТТ при контроле антенными решетками.
В существующих рекомендациях по контролю с помощью антенных решеток используется амплитудный критерий, причем контроль проводится в подавляющем большинстве случаев только эхо-методом. При выборе браковочного уровня руководствуются рекомендациями, данными для контроля стандартными преобразователями с одним углом ввода. Например, в качестве браковочного уровня выбирают сигнал от плоского углового отражателя (зарубка), а при работе с антенными решетками дополнительно к одному фокусному пятну от сигналов от угла может присутствовать фокусное пятно, образованное сигналами от рассеяния на конце зарубки.
За рубежом часто в качестве браковочного уровня выбирается ненаправленный цилиндрический отражатель и предлагается использовать для настройки и калибровки именно этот тип, однако, как известно, он плохо имитирует реальные наиболее опасные дефекты сварных соединений -непровары, несплавления, трещины.
Конструкция и принцип действия антенных решеток
Антенная решетка представляет собой набор пьезоэлектрических элементов, расположенных на одной подложке. Самые распространенные типы решеток - линейные (рис. 3.1). Дефектоскопы с решеткой формируют изображение в виде двумерного сечения из набора эхо-сигналов когерентными (синфазными) способами. На российском рынке ручного ультразвукового контроля представлены два типа дефектоскопов с антенными решетками.
Первый тип приборов, например, «OmniScan» компании Olympus (рис. 3.2а) или «Х-32» компании Harfang Microtechniques (рис. 3.26) обеспечивает электронное сканирование объекта контроля.
Антенные решетки, предлагаемые с этими приборами, называются по аналогии с радарами, фазированными антенными решетки (ФАР), хотя фазировка достигается за счет управления временным интервалом начала возбуждения каждого элемента фазированной антенной решетки, а не за счет сдвига фаз. а) б)
На рисунках ниже показан принцип формирования прямой антенной решеткой наклонного луча. В первый момент времени возбуждается крайний элемент ФАР (рис. 3.3), спустя некоторое время (рис. 3.4) - соседний, и т.д. Результирующий фронт (рис. 3.5) оказывается под углом к поверхности. Угол ввода ультразвукового луча - линия, перпендикулярная фронту. Меняя времена задержек возбуждения элементов, можно управлять углом ввода.
На экране дефектоскопа наблюдается результат в виде S-скана -двумерного изображения, полученного из множества А-сканов, из одного положения преобразователя под различными углами ввода. Обычный S-скан представляется в диапазоне углов с использованием одного фокусного расстояния.
Используются фокусировки по «постоянному пути» (рис. 3.7а) по «постоянному смещению» (рис. 3.76), или по «постоянной глубине» (рис. 3.7в). ВН l l l ц ц Рисунок 3.7 - Принцип работы ФАР. Типы фокусировок
Другой тип оборудования с ультразвуковыми антенными решетками (АР) реализует алгоритм фокусируемой синтезируемой апертуры (SAFT -Synthetic Aperture Focusing Technique). Используются данные об амплитуде эхо-сигналов и времени их прихода в каждую точку приемной апертуры решетки [67, 69, 70].
Пусть R0 - скалярный точечный излучатель, S - плоскость регистрации импульса f(t). Тогда падающее поле в некоторой точке R на рассеивателе будет: Разновидность SAFT метода - SAFT-C - алгоритм синтезируемой фокусированной апертуры с комбинационным зондированием с использованием матричной приемно-излучающей решетки ультразвуковых преобразователей. Зондирование выполняется поочередно каждым элементом решетки, прием производится сразу всеми элементами при каждом зондировании (рис. 3.8). Полный набор принятых сигналов содержит сигналы, полученные при всех возможных сочетаниях излучающего и приемного элементов решетки. Временной интервал приема сигналов равен времени распространения ультразвука от решетки до наиболее удаленной точки в объекте контроля. Каждый принятый сигнал содержит эхо-сигналы от возможных отражателей и шум от структуры материала и границ объекта контроля.
В результате величина сигнала в каждой точке изображения эквивалентна сигналу фокусирующего ультразвукового преобразователя, сфокусированного в соответствующую точку сечения объекта контроля. Подробно этот метод описан в [6, 7, 28, 29, 40, 43] и реализован в ультразвуковом приборе «А1550 Intro Visor» (рис. 3.9).
Основное преимущество оборудования, реализующего SAFT метод, -это возможность фокусировки в каждую точку объекта контроля.
Для получения изображения в т. А(х, у) из каждой записанной реализации выбирается фрагмент длительностью ти с временем задержки tA .
Все эти фрагменты содержат эхо-импульсы от отражателя в т. A(x,z), полученных при разных ракурсах падения в эту точку и отражения (рис. 3.10). Выбранные фрагменты совмещаются по времени t с точностью до фазы и суммируются: Рисунок 3.10 - Схема распространения лучей от излучающих элементов к отражателю в т. A(x,z) и обратно Вычисляется огибающая результирующего эхо-импульса, максимум функции записывается в память прибора. Этому значению присваивается определенный цвет или яркость т. А(х,у) на экране прибора.
Алгоритмы обработки сигналов для улучшения визуализации несплошностей не всегда удачны и могут терять информационные признаки. Автором анализированы все сигналы, попавшие в область сканирования, без использования алгоритмов, предложенных производителями (например, «режим приповерхностных дефектов», «режим вертикальных трещин» и др.). Однако при разработке информационных признаков иногда эти алгоритмы полезны.
Разработка образцов для настройки чувствительности. Погрешность измерения
Особенности выявления плоскостных несплошностей предварительно оценивались при выявлении отражателей типа «пропил» минимально возможной ширины, которые хорошо имитируют непровары в корне односторонних сварных соединений.
Изображения экранов прибора «А 1550 Intro Visor» от пропилов приведены на рисунках ниже (рис. 4.10, рис. 4.11, рис. 4.12). На рисунке слева показана амплитуда и координаты сигналов от угла, на правом -амплитуда и координаты сигналов от дифракционного рассеяния на вершине пропила.
Пропил высотой 1 мм (рис. 4.13) можно оценить только по амплитуде фокусного пятна от угловых эхо-сигналов, т.к. не вполне корректно различать несплошности, размеры которых (или расстояния между ними) порядка длины волны ультразвука и менее.
Погрешность измерения высоты пропилов по расстоянию между амплитудами фокусных пятен, составляет менее 5%. При небольшой высоте пропила (до 5 мм) можно сказать, что чем больше глубина пропила, тем больше амплитуда сигнала от начала пропила (рис. 4.14).
Точность определения координат максимальной амплитуды на изображении при развертке, позволяющей визуализировать сварное соединение толщиной 8-16 мм, составляет 0,2 мм. Следовательно, уже при измерении закладывается погрешность не менее 0,2 мм.
Задача определения точности измерения устройства с антенной решеткой не может быть решена в общем виде. Это связанно с тем, что помимо большого числа физических и конструкционных факторов, вклад которых теоретически может быть оценен, такие приборы проводят сложную обработку полученных данных с использованием эвристических алгоритмов. В результате, точность измерения может существенно различаться не только у двух приборов, обладающих схожими техническими характеристиками, но даже для одного и того же прибора при измерении схожих образцов. Обычно, для количественного сравнения таких алгоритмов используют набор стандартных синтетических тестов и специальные метрики.
Что касается физических и конструкционных характеристик приборов с АР, то можно выделить следующий ряд факторов. 1. Рабочая частота прибора влияет на длину волны, и как следствие, на разрешающую способность при выявлении расположенных рядом дефектов и размеров малой толщины. 2. Апертура антенной решетки влияет на геометрическую разрешающую способность, точность определения координат дефекта и его границу. Зависит от угла расположения дефекта относительно плоскости антенной решетки. 3. Число элементов антенной решетки. Так как в устройстве с антенной решеткой производится совместная обработка данных, полученных от каждого элемента, с увеличением числа элементов происходит накопление данных, снижение уровня стохастических помех, повышается точность определения границ дефектов. 4. Частота дискретизации цифрового тракта. Так как при обработке данных от антенной решетки учитывают сдвиги фаз между отдельными элементами, при оцифровке сигнала предъявляются повышенные требования. Частота дискретизации должна превышать рабочую частоту сигнала не менее чем на порядок. 5. Точность задачи скорости звуковой волны в материале. Используется для оценки времени прохождения сигнала между элементами решетки, небольшая ошибка в ее определении приводит к невозможности правильной реконструкции.
При контроле сварных соединений толщиной 8 16 мм антенной решеткой с рабочей поверхностью 46 мм с неснятым валиком усиления возможно отображение сигналов от двугранного угла пластины на прямых лучах, а от непроваров или других несплошностеи - только как минимум на отраженных лучах. Получены акустические изображения различного размера непроваров как со стороны скоса, так и со стороны без скоса кромок.
Акустическое изображение непровара на расстоянии 73 мм от начала точки сканирования со стороны без скоса кромок По расстоянию между ними можно с точностью не менее 25% (рис. 4.18) определить высоту непровара. Коэффициент корреляции 0,91.
Фокусное пятно II (рис. 4.26) образовано лучами, однократно отраженными от конца непровара (рис. 4.28). J,0 46,0 J— 10,0 // Ґ & 1 Рисунок 4.28 - Схема получения сигнала от конца непровара
Объяснить возникновение фокусного пятна III (рис. 4.26) можно следующим. Как уже упоминалось ранее, все сигналы получаются путем суммирования всех откликов от всех объектов, которые могут быть отражателями: уголковый, дифракционное рассеяние и др. При соотнесении с координатами сигналы могут быть от непровара, полученные однократно отраженными и двукратно отраженными лучами.
В диссертации ставилась задача получения акустических изображений различного вида, соотнесения результатов ультразвукового контроля с вскрытием, а также разработке рекомендаций по идентификации типа и действительного размера несплошностей на типовом оборудовании.
При использовании алгоритма «зеркальных вертикальных отражателей» восстанавливается изображение непровара, образ соответствует оптическому, однако определить фактическую высоту затруднительно.
Если определять высоту непровара по разнице координат между фокусными пятнами от углового отражателя I (рис. 4.26) и концом непровара II (рис. 4.26), то погрешность измерения высоты непровара (рис. 4.29) составляет не более 25% (коэффициент корреляции 0,87).
