Методические аспекты УЗК дифракционно-временным методом в европейских стандартах

[В мире НК]

Методические аспекты УЗК дифракционно-временным методом в европейских стандартах

Об авторе

Необходимо войти для просмотра
Кретов Евгений Федорович
Начальник ультразвукового отделения Центральной лаборатории неразрушающих методов контроля ОАО «Ижорские заводы»,
к. т. н., III уровень по акустическому виду НК.

Дифракционно-временным (ДВМ) называют метод акустического контроля, при котором информацию о наличии и параметрах несплошностей получают с учетом анализа акустических волн, дифрагировавших в контролируемом объекте. За рубежом этот метод называют «Time Of Flight Diffraction», аббревиатура «TOFD».

Основные физические принципы ДВМ и некоторые положения его практического применения рассмотрены И. Н. Ермоловым [1] на основе анализа английского стандарта BS 7706:1993 [2].

Началом развития TOFD в Европе считают работы Силка (Maurice G. Silk), начатые в Национальном центре НК в Харуэлле (Великобритания) в 1971 г. Первоначально ДВМ развивался как метод для измерения размеров дефекта. В течение 1970-х гг. производились первые практические применения метода. Успешные результаты применения TOFD способствовали более быстрому развитию стандартизации метода.

В Европе различают четыре фазы развития TOFD:

- валидация (утверждение) метода в качестве метода точных измерений;

- утверждение метода как быстрого метода для обнаружения дефектов;

- сравнение TOFD с другими методами НК (эхо-метод и радиография);

- разработка новых стандартов и внесение метода в действующие стандарты и руководящие положения.

В начале 1980-х гг. возможности широкого применения TOFD были ограничены большими габаритами и весом аппаратуры. Первые переносимые приборы, известные как Zipscan, были созданы в Национальном центре НК (Великобритания) и по лицензии изготавливались фирмой Sonomatic Ltd, начиная с 1984 г. Хорошие результаты первых попыток применения TOFD в промышленности и доступность переносных приборов обусловили начало практического применения TOFD для проведения контроля объектов в процессе технического обслуживания при эксплуатации.

Возможности и ограничения метода TOFD анализировались при испытаниях в процессе валидации. Постепенно расширялись области его применения. Так, в 1997 г. подтверждена возможность обнаружения коррозии в корне шва, в 2001 г. стали выполнять контроль TOFD при высокой температуре.

При изготовлении металлоконструкций важно подтвердить, что контроль TOFD обеспечивает выполнение нормативных требований к качеству материалов и сварных соединений не хуже, чем контроль традиционными методами.

Первым стандартом, разработанным непосредственно для контроля методом TOFD, является британский стандарт 7706 (1993) [2]. В нем описаны основы теории TOFD и общие параметры контроля. Не указаны какие-либо ограничения и не приведены критерии допустимости.

Для того, чтобы применять TOFD при изготовлении продукции, необходимо выполнение как минимум трех условий:

- наличие методики;

- квалификация персонала;

- наличие критериев допустимости.

Основным стандартом, определяющим методику контроля методом TOFD, является европейский стандарт EN 583-6 [3]. Этот стандарт устанавливает общие принципы применения метода для обнаружения и определения размеров не-сплошностей в деталях из низколегированной углеродистой стали, то есть для материалов с низким коэффициентом затухания. Метод может использоваться и для других материалов при условии, что TOFD применяется с обязательным учетом геометрии, акустических свойств материалов и чувствительности при исследовании. Стандарт устанавливает требования к квалификации персонала. Персонал должен быть аттестован по EN 473, пройти дополнительное обучение и испытания по методу TOFD.

Специальные требования предъявляются и к аппаратуре TOFD, в частности:

- полоса пропускания приемника по уровню 6 дБ должна быть не менее (0,5 ÷ 2,0) f, где f - номинальная частота преобразователя;

- передаваемый импульсный сигнал может быть однополярным или биполярным. Время нарастания импульса не должно превышать 0,25 периода, соответствующего номинальной частоте преобразователя;

- невыпрямленные сигналы должны быть преобразованы в цифровой вид с частотой выборки, равной, по меньшей мере, четырем значениям номинальной частоты датчика;

- комбинации ультразвукового оборудования и устройств сканирования должны принимать и оцифровывать сигналы с частотой, как минимум, один А-скан на 1 мм длины сканирования; для этого прием данных и механизм сканирования должны быть синхронизированы;

- оцифрованные А-сканы должны быть представлены на дисплее в амплитудах, зависимых от уровня серого или одноцветного уровня, и построенных рядом друг с другом для формирования D-скана; число уровней шкалы серого или одного цвета должно быть не меньше 64;

- в целях архивирования оборудование должно иметь возможность сохранения всех А- и D-сканов на магнитных или оптических носителях, например, на жестком диске, гибком диске, ленточном или оптическом диске;

- оборудование должно иметь возможность выполнения усреднения сигналов;

- обычно применяют преобразователи, возбуждающие продольную и сдвиговую волны, но применение преобразователей, возбуждающих поперечную волну, возможно в обоснованных случаях;

- преобразователи должны иметь одинаковую центральную частоту в пределах ± 20%;

- длительность импульса как головной волны, так и донного эхо-сигнала, не должна превышать двух периодов, измеренных при 10% пиковой амплитуды;

- сканер должен поддерживать постоянное расстояние между точками выхода обоих датчиков (это расстояние, называемое раздвижкой или базой, обозначается PCS) и их центровку;

- точность направления относительно центра линии отсчета (например, центральной линии сварного шва) должна поддерживаться в пределах допуска ± 10% расстояния между точками выхода преобразователей;

- сканер должен обеспечить ультразвуковое оборудование информацией о позиции датчика, необходимой для формирования D-сканов, зависимых от этой позиции;

- сканирование при TOFD может осуществляться как вручную, так и механически.

Стандарт приводит рекомендации по выбору параметров преобразователей в зависимости от толщины объекта контроля (в дальнейшем под объектом контроля будем понимать сварной шов) или положения по глубине контролируемой зоны (табл. 1, 2).

Необходимо войти для просмотра​

Несколько отличаются рекомендации, приведенные в стандарте CEN/TC 14751 [4] (табл. 3), который распространяется на контроль методом TOFD сварных соединений толщиной 6 мм и более.

Необходимо войти для просмотра​

Максимальная эффективность дифракции получается, если внутренний угол составляет около 120°. Преобразователи должны устанавливаться таким образом, чтобы акустические оси пересекались примерно под этим углом в той зоне глубины, где ожидаются/ определяются дефекты. Отклонения более чем - 35° или + 45° от этого значения могут стать причиной слабых дифрагированных эхо-сигналов, которые не могут быть использованы.

Методы настройки чувствительности в стандарте EN 583-6 описаны недостаточно полно. Более определенно они приведены в стандарте CEN/TC 14751. Чувствительность настраивают непосредственно на объекте контроля. Амплитуда головной волны должна составлять 40-80% полной высоты экрана (FSH). В тех случаях, когда такой способ не может быть использован (например, при углах ввода около 45° и большой толщине сварного шва) чувствительность настраивают так, чтобы амплитуда донного сигнала была на 18-30 дБ выше FSH. Если по каким-то причинам не годятся оба эти способа, чувствительность настраивают так, чтобы уровень акустических шумов в зоне контроле составлял 5-10% FSH.

 

[В мире НК]

Эффективность выявления несплошностей после настройки чувствительности может быть проверена на образцах с характерными представительными дефектами или на искусственных отражателях.

Необходимо войти для просмотра

Рис. 1. Непараллельное сканирование: перпендикулярно направлению распространения ультразвуковых колебаний​

Применяют два способа сканирования и представления результатов при контроле методом TOFD: поиск и определение размеров дефектов с помощью D-развертки - непараллельное сканирование (рис. 1) и определение размеров дефектов с помощью В-развертки - параллельное сканирование (рис. 2). Такие способы сканирования и представления результатов пригодны для ряда важных контролируемых объектов, включая стыковые швы труб, сосудов и листовых конструкций.

Необходимо войти для просмотра

Рис. 2. Параллельное сканирование: параллельно направлению распространения ультразвуковых колебаний​

На первом этапе контроля рекомендуется выполнение только однократного D-сканирования (и получения изображения в виде D-развертки), например, вдоль сварного соединения.

Данные по распознаванию и измерению размеров возможных дефектов, выявленных таким образом, будут основываться на результатах этого единственного сканирования. Однако при этом возможная точность метода не будет полностью достигнута.

Для критичных дефектов рекомендуется использовать TOFD в его более полной модификации, а именно - второй способ. Он включает линейное сканирование парой преобразователей поперек сварного шва, перпендикулярно к направлению протяженности дефекта. Этот процесс известен как В-сканирование, а представление результатов как В-развертка. Этот, более точный TOFD, позволяет выполнять измерения размеров более детально.

Для измерения размеров дефектов используется значение интервала между временами пробега. Опуская эффект трансформации типов волн (для упрощения) и представляя распространение ультразвука в виде лучей, отмечают траектории распространения ультразвуковой энергии.

В соответствии с CEN EN 583-6 при обнаружении несплошности определяют ее следующие параметры:

- координаты на объекте;

- длину;

- глубину залегания;

- высоту;

- тип, определяемый как поверхностный дефект, дефект у донной поверхности или внутренний дефект.

Чтобы описать дефект, необходимо установить фазу дифракции, вызванной краем этого дефекта:

- сигнал в той же фазе, что и головной волны, следует рассматривать как исходящий от нижнего края дефекта;

- сигнал в той же фазе, что и эхо-сигнала от задней стенки, следует рассматривать как исходящий либо от верхнего края дефекта, либо от дефекта неизмеримой высоты (то есть сигналы от верхнего и нижнего краев не разделяются).

Если отношение сигнал-шум не позволяет определить фазу сигнала, такие измерения следует считать недействительными.

CEN EN 583-6 дает методические рекомендации о способах классификации несплошностей по типу, определения размеров и координат несплошностей. Приводятся методики определения погрешностей измерения, сведения о некоторых ограничениях и особенностях метода. Так, например, отмечается, что при основном - непараллельном способе сканирования - могут быть не выявлены поперечные трещины. Если требуется выявлять очень малые трещины, то возможности системы TOFD должны быть продемонстрированы на специальных образцах.

Необходимо войти для просмотра

Рис. 3. Потеря сигналов из-за недостатка контактирующей среды​

В качестве справочного материала стандарт CEN/TC 14751 приводит D-сканы, полученные при ошибках настройки или сканирования (например, рис. 3), и D-сканы с записями дефектов сварного шва (например, рис. 4).

Необходимо войти для просмотра

Рис. 4. Протяженная индикация от несплошности дальней поверхности отражения (почти сквозь стенку)​

Литература

1. Ермолов И. Н. Дифракционно-временной метод контроля. - В мире НК. 2001. № 2 (12). С. 7-11.

2. Guide to calibration and setting-up of the ultrasonic time of flight diffraction (TOFD) technique for the detection, location and sizing of flaws. BS 7706:1993.

3. CEN EN 583-6. Non-destructive testing-Ultrasonic examination - Part 6: Time-of- flight diffraction technique as a method for detection and sizing of discontinuities.

4. Welding-Use of time-of-flight diffraction technique (TOFD) for examination of welds. CEN /TS 14751.

 

[admin]

Кретов Е.Ф. Методические аспекты УЗК дифракционно-временным методом в европейских стандартах. − В мире НК. – Сентябрь 2011 г. − № 3 (53). − С. 47–49. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.

 

[Alexander]

В 2011 году введен в действие международный стандарт ISO 10863:2011 Неразрушающий контроль сварных соединений. Ультразвуковая дефектоскопия. Использование дифракционно-временного метода (TOFD).
В нем применены уровни контроля А, В, С и D

Затем в 2012 вышел стандарт ISO 16828:2012 Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Дифракционно-временной метод (TOFD), как метод обнаружения и определения размеров несплошностей

В 2009 году был издан европейский стандарт EN 15617 - Неразрушающий контроль сварных соединений. Дифракционно-временной метод (TОFD). Уровни приемки

Таким образом, разработаны и введены в действие все необходимые стандарты для широкого применения метода TOFD.