Оценка дефектоскопичности изделия

Под дефектоскопичностью понимают совокупность свойств изделия, определяющих возможность проведения контроля с заданной достоверностью.

На дефектоскопичность конструкции влияют толщина и кривизна изделия, наличие доступа для проведения контроля, технология изготовления, структура материала, наличие ложных отражателей и др.

Изделие считают полностью пригодным к контролю (дефектоскопичным), если:

1. Центральный луч ультразвукового пучка при оптимальной (обеспечивающей заданную достоверность) схеме прозвучивания хотя бы один раз проходит через все точки контролируемого сечения;

2. Подлежащий фиксации минимальный дефект независимо от его координат в изделии выявляется на фоне шумов с запасом чувствительности не менее 6 дБ и разрешением во времени не менее 1 мкс (под шумами понимаются электрические и структурные помехи, ложные сигналы).

Первый критерий связан только с геометрией изделия, второй - с его акустическими свойствами и наличием конструктивных или технологических особенностей, вызывающих ложныйсигналы.

При оценке по первому критерию к изделию предъявляют следующие требования.

Геометрическая форма поверхности в зоне прохождения УЗ-колебаний должна быть достаточно простой, по возможности близкой к плоской. В зоне сканирования не должно быть резких изломов поверхности (выступов, проточек), приваренных элементов, отверстий, искажающих путь УЗ-луча и играющих роль мешающих отражателей. Ширина зоны сканирования должна быть достаточной для перемещения преобразователя по заданной схемой контроля траектории.

На практике при оценке контролепригодности на чертеж контролируемого сечения изделия наносят следы УЗ-лучей при различных положениях преобразователя и оценивают степень перекрытия сечения сеткой лучей. Если часть сечения остается недоступной для прозвучивания, изделие считают ограниченно дефектоскопичным.

Степень дефектоскопичности можно повысить изменением конструкции изделия или введением специальных требований при подготовке изделий к контролю. Так, увеличение проектной длины внутренней расточки торцов труб под сварку обеспечивает контроль отраженными лучами ранее недоступной верхней частисварного соединения. С той же целью удаляют выпуклость сварного шва.

При оценке по второму критерию изделие считают полностью пригодным к контролю, если

где - коэффициент затухания; r — полный путь ультразвука в металле; d - средний размер структурного зерна; λ - длина волны.

Смысл первого условия в том, что ослабление эхо-сигнала за счет затухания при любом расстоянии до дефекта не должно превышать 6 дБ. При этом обеспечивается уверенное обнаружение дефекта требуемого минимального размера на максимальном удалении от преобразователя. Например, контроль листа толщиной 100 мм эхо-методом с использованием нормального преобразователя будет достаточно надежен, если коэффициент затухания материала листа не превышает значения

Второе условие регламентирует размер зерен и их ориентацию, при которых расстояние УЗ-волны в материале оптимально с точки зрения образования структурных акустических помех. Крупнозернистая структура с хаотичным расположением зерен, как известно, вызывает интенсивное многократное рассеяние УЗ-волн на произвольно ориентированных границах зерен (структурная реверберация). Это приводит к высокому уровню акустических (реверберационных) помех и большому затуханию. По этой причине затруднен контроль литой структуры (литые поковки и изделия из них, швы электрошлаковой сварки и сварки, выполненной аустенитными электродами). Уровень структурных помех и затухание снижаются после термической обработки изделия, которая стабилизирует и размельчает структуру металла. В связи с этим сдаточный контроль проводят после окончательной термообработки.

Весьма затруднен контроль изделий с неоднородной структурой, когда различные участки изделия отличаются по химическому составу, физическим и механическим свойствам. Структурной неоднородностью по толщине и длине могут отличаться изделия металлургического производства - поковки, листы при нестабильности и нарушениях технологии изготовления. К этой группе можно отнести сварные, паяные, клеевые соединения, а также изделия из композиционных, биметаллических и плакированных материалов. Неоднородность структуры, влияя на стабильность акустических свойств (прежде всего скорости УЗ-колебаний, коэффициента затухания), приводит к неравномерной чувствительности, погрешностям измерения координат дефектов.

По акустическому критерию дефектоскопичность оценивают путем предварительных измерений размера зерна структуры и коэффициента затухания на различных участках изделия. В производственных условиях оценивают «прозвучиваемость» изделия прямым измерением донных сигналов и уровня шумов. По данным чтих измерений с помощью АРД-диаграмм определяется выявляемость дефектов с заданной эквивалентной площадью.

Дефектоскопичность изделия из материалов с заведомо стабильными акустическими свойствами можно оценить на основании имеющегося опыта контроля и таблиц акустических свойств материалов. Хорошо прозвучиваются изделия из углеродистой и низколегированной стали, титана, алюминия, характеризующихся мелкозернистой структурой и низким коэффициентом затухания. Гораздо хуже контролируются медь, чугун, пластмассы, пористые материалы вследствие крупного зерна и высокого коэффициента затухания.

Под ложными отражателями подразумевают непровары при сварке, центральные зоны поковок с крупным зерном, различные конструктивные элементы, расположенные вблизи или даже внутри контролируемого объема (отверстия, галтели, подкладки, выпуклость и вогнутость сварных швов).

Готовые изделия, их эксплуатация и хранение.Для контроля наиболее ответственных объектов применяют последовательно несколько методов. В технологической цепочке изготовления сложных объектов используют помимо выходного также входной и пооперационный контроль для своевременной отбраковки или ремонта отдельных элементов.

При хранении, транспортировке, монтаже изделие может получить механические повреждения. Возможно растрескивание под действием внутренних напряжений. Нередкое явление - атмосферная коррозия металлов. Она может быть поверхностной, а может распространяться в глубь металла. Очень опасна коррозия, поражающая преимущественно границы зерен - межкристаллитная коррозия. При эксплуатации также возможна поверхностная или более глубокая (в том числе межкристаллитная коррозия) под действием агрессивных сред: жидкостей, газов. Специфическим видом разрушения является коррозия под напряжением: агрессивное действие среды усиливается внутренними напряжениями в металле изделия.

Разрушение объектов при эксплуатации может произойти под действием чрезмерных внешних нагрузок. Нагрузка может быть кратковременной(в том числе ударной), длительной и многократно прилагаемой. Длительная статическая нагрузка может привести к разрушению объекта даже в тех случаях, когда такая же кратковременная нагрузка для него не опасна. Под действием длительной нагрузки происходит медленная деформация объекта, постепенно ослабляющая его прочность. Это явление называют ползучестью. Оно особенно часто проявляется при эксплуатации объектов из пластмасс, композитов, но существует также и для металлических деталей, особенно при повышенной температуре. Допустимые многократно прилагаемые (циклические) нагрузки значительно меньше допустимых статических.

Разрушение под действием внешних нагрузок (особенно циклических) начинается в местах, где расположены концентраторы напряжений. Ими являются элементы конструкции (утонение, надпил, отверстие), а также дефекты типа несплошностей. Чем резче профиль утонения (например, меньше радиус отверстия), тем больше концентрация напряжений вблизи них. По этой причине дефекты плоскостного характера типа неслитин, закатов и особенно трещин гораздо опаснее округлых дефектов типа раковин и шлаковых включений.

Для предотвращения катастрофического разрушения ответственные объекты периодически подвергают контролю, проводят плановые ремонты. Обычно в процессе эксплуатации применяют визуальный осмотр, контроль капиллярными, магнитными и вихретоковыми методами для выявления поверхностных дефектов. Внутренние трещины любого происхождения обнаруживают ультразвуковым методом (обычно эхометодом). Утонения труб, сосудов под действием коррозии (в том числе локальной) определяют с помощью УЗ толщиномеров.

Типичным примером объекта, испытывающего циклические нагрузки, являются рельсы. Характерные дефекты рельсов, возникающие в процессе изготовления, те же, что и дефекты проката. Однако в результате интенсивной эксплуатации происходит отслоение и выкрашивание металла на поверхности, по которой катятся колеса, если на этой поверхности или вблизи нее имеются закаты, газовые пузыри, волосовины, плены. Флокены, закатанные газовые пузыри, микротрещины в головке (верхней части) рельса развиваются в поперечные и наклонные трещины. Эти и другие дефекты вызывают необходимость периодического контроля рельсов во время эксплуатации магнитными и ультразвуковыми методами.

Перспективным методом контроля в процессе эксплуатации является акустическая эмиссия. Этим методом фиксируют процессы коррозионного и усталостного повреждения. Длительное прогнозирование опасности разрушения ОК этим методом осуществить не удается (при существующем уровне его развития), однако метод в состоянии предупредить о нарастании процесса разрушения и приближении катастрофической ситуации.

Контроль физико – механических свойств материалов:

Акустические методы измерения физико – механических свойств материалов основаны на связи таких характеристик материалов, как скорость распространения упругой волны, коэффициент затухания, акустическое сопротивление, с их эксплуатационными свойствами: упругими постоянными, прочностью, текстурой, внутренними напряжениями, твердостью, величиной зерна и т.д. Оперативность, безопасность, высокая точность акустических методов контроля привели к их широкому использованию.

Физико-механические свойства металлов (статическая и усталостная прочность, вязкость, пластичность, твердость, теплоемкость и т. д.) зависят от химического состава, структуры, состояния, а некоторые — и от условий применения.

Методы, основанные на измерении скорости УЗ колебаний. Изотропные твердые материалы характеризуются двумя упругими постоянными, величина которых однозначно определяется двумя значениями скоростей продольных и сдвиговых волн. Простейшие формулы связи имеют вид:

, ,

где E- модуль сжатия, G- модуль сдвига, -плотность материала. Для измерения скорости упругих волн используют три основных метода: свободных, вынужденных колебаний и импульсный. Импульсный метод измерения скорости акустических волн в настоящее время применяют чаще других. Как отмечалось ранее, измерение скорости акустических волн позволяет непосредственно определять лишь модули упругости и коэффициент Пуассона. Однако существуют корреляционные зависимости между скоростью и другими важными эксплуатационными характеристиками материалов. Установлено, что повышение скорости упругих волн в бетоне происходит при повышении его предела прочности – (
)Зависимость выражается приближенной формулой

где A - постоянный коэффициент.

Скорость звука используется как показатель прочностных свойств стеклопластиков, некоторых горных пород, технических тканей, древесных плит. Установлена корреляция скорости распространения УЗИ со структурой и содержанием включений в некоторых материалах. Например, скорость зависит от числа и формы графитных включений в чугуне, пористости спеченных материалов (в порошковой металлургии).

Акустические методы эффективно используются для контроля упругой анизотропии и текстуры материалов путем измерения скорости трех волн: продольной и двух сдвиговых с взаимоперпендикулярным направлением колебаний частиц (поляризованых под 900 друг к другу). Такой метод реализуется с помощью электромагнитно – акустических преобразователей. В результате определяются упругие постоянные, главные направления кристаллических осей и текстуру материалов, что важно для оценки штампуемости металла.

Измерения относительного изменения скорости упругих колебаний позволяют измерять величины прикладываемых напряжений. Это важно, например, для завинчивания болтов до заданных величин. Точность измерения сжимающих или растягивающих напряжений может достигать ±0,2 Мпа. Удается контролировать степень наклепа поверхностного слоя металла.

Методы, основанные на измерении затухания, могут выполняться резонансным методом, методом свободных колебаний и импульсным методом. Наибольшее распространение получили импульсные методы, заключающиеся в определении соотношения амплитуд двух импульсов, прошедшие в материале разный путь.

Неразрушающий контроль физико-механических свойств контролируемых объектов с помощью акустического метода:

Акустический метод неразрушающего контроля основан на измерении частот собственных колебаний (далее ЧСК) контролируемых материалов и изделий.

Метод измерения ЧСК изделий и специально подготовленных образцов применяется для оценки физико-механических свойств раз­личного рода материалов, в первую очередь, неметаллических материалов с большим затуханием акустических волн, для которых применение традиционных методов УЗК затруднено или вообще невозможно. Это изделия из керамических, полимерных и композиционных материалов; изделия с поверхностью, затрудняющей ввод ультразвуковых колебаний - чугунное литье.

Основные области практического применения акустического метода путём измерения ЧСК:

контроль шлифовального инструмента, отрезных кругов любого диаметра, малогабаритных инструментов диаметром 8 мм и менее, для определения физико-механических свойств которых не могут быть использованы традиционные методы контроля твердости;

контроль огнеупорных и строительных изделий;

контроль углеграфитовых изделий;

контроль заготовок из чугуна разных марок;

контроль изделий из высокопрочной керамики и синтетических сверхтвердых материалов;

контроль частот собственных колебаний турбинных лопаток;

диагностика состояния зданий и строительных конструкций;

определение упругих констант (модулей упругости, коэффициента Пуассона и др.) изделий различной формы из различных материалов;

подбор комплектов изделий с заданными физико-механическими свойствами;

возможно применение данного метода для решения задач дефектоскопии различного рода литья; изделий, используемых на железнодорожном транспорте (ж/д колеса и оси, подвесная арматура контактной сети); для контроля состояния деревянных опор линий электропередач, для определения плотности древесины при оперативном таможенном контроле.

Наиболее широкое применение находят специализированные измерители частот собственных колебаний типа «Звук» различных модификаций. Работа приборов типа «Звук» основана на методе свободных колебаний и на методе вынужденных колебаний (резонансный метод). Предусмотрено программное обеспечение, необходимое для расчета упругих констант и анализа спектра ЧСК при контроле изделий различных форм и размеров.

Приборы нового поколения «Звук-130» и «Звук-203М» выполняют анализ спектра ЧСК разнокалиберных заготовок и изделий непосредственно в условиях их производства или эксплуатации. В приборах типа «Звук» предусмотрено получение конечного результата измерений в следующих формах: ЧСК (f), скорость звука (Cl), модуль Юнга (Е). Возможно получение других физико-механических характеристик изделий при условии введения соответствующих корреляционных зависимостей.

Для удобства эксплуатации приборов в промышленных условиях и осуществления сортировки контролируемых изделий предусмотрено получение результата в виде звуковых индексов (ЗИ) - градаций скорости звука Cl с шагом 200 м/с. ЗИ обозначается нечетным двухзначным числом, умножение которого на 100 дает среднее для данной градации значение скорости звука Cl, м/с.

Работа прибора «Звук-203М» основана на методе свободных колебаний. Частотный диапазон прибора (22 Гц - 17,4 кГц) позво­ляет контролировать изделия в широком диапазоне размеров: от 20-50 см до нескольких метров. Колебания в изделии возбуждаются ударом с помощью молотка или специального ударника, а в качестве приемника колебаний используется встроенный в корпус прибора микрофон. Возможно также подключение внешнего микрофона или пьезоэлектрического датчика.

Прибор «Звук-130» реализует метод вынужденных колебаний (резонансный метод). Частотный диапазон прибора от 0,5 до 500 кГц позволяет контролировать малогабаритные изделия с размерами от 3 мм и менее, контроль физико-механических свойств которых в настоящее время никакими другими методами не производится.

Работой приборов управляет специальная программа, по которой производится расчет ожидаемого спектра ЧСК контролируемого изделия и выбор условий измерения для конкретных типоразмеров изделий различных форм и размеров. Результаты контроля выводятся на экран монитора в графическом и цифровом виде.

Применение приборов типа «Звук»:

Контроль физико-механических свойств абразивных изделий самого широкого диапазона размеров и геометрической формы от 3 до 1200 мм, позволяет быстро получать конечный результат контроля, усредненный по всему изделию. Применительно к контролю абразивных изделий в России такие методики разработаны для большинства типоразмеров шлифовальных инструментов на всех видах связок (керамическая, бакелитовая, вулканитовая) и их применение регламентировано Государственным стандартом ГОСТ Р 52710-2007 «Инструмент абразивный. Акустический метод контроля твердости и звуковых индексов по скорости распространения акустических волн» (ранее - ГОСТ 25961-83 «Инструмент абразивный. Акустический метод контроля физико-механических свойств»).

Контроль огнеупорных и строительных изделий основан на наличии корреляционной связи между ЧСК и характеристиками изделий: прочность, плотность, пористость и т. п. Применение метода регламентировано ГОСТ-25714-83 «Контроль неразрушающий. Акустический звуковой метод определения открытой пористости, кажущейся плотности, плотности и предела прочности при сжатии огнеупорных изделий».

Контроль углеродных и углеграфитовых изделий основан на наличии корреляционной связи между результатами акустического контроля и характеристиками изделий: прочность, плотность и удельное электросопротивление. Метод может быть использован при выходном и входном контроле физико-механических свойств углеродных и углеграфитовых изделий: подовых блоков ванн электролизеров и углеграфитовых электродов, используемых в электрометаллургии при производстве алюминия и других металлов. Применение метода позволяет оперативно проводить сплошной 100-процентный контроль изделий в партии и подбирать комплекты изделий, например, для ванн электролизеров, с одинаковыми заданными физико-механическими свойствами.

Контроль отливок из чугуна основан на наличии корреляционной связи между скоростью распространения акустических волн (скоростью звука) и характеристиками изделия: твердость по Бринеллю, прочность и содержание шаровидного графита. Применение метода измерения ЧСК с применением приборов типа «Звук» даёт возможность оперативно определять эти характеристики на заготовках конфорок электроплит, деталей силовых агрегатов - дисков сцепления, маховиков и т. п. до их механической обработки без специальной подготовки поверхности, необходимой при проведении УЗК.

Контроль изделий из высокопрочной керамики и синтетических высокотвердых материалов. Установлены корреляционные зависимости между упругими характеристиками (скоростью Ñl, коэффициентом Пуассона), твердостью, плотностью, а также эксплуатационными показателями (износостойкостью и прочностными характеристиками) изделий из высокопрочной керамики на основе корунда, карбида кремния, карбида бора, кубического нитрида бора и т. п. с различными добавками. Такие изделия используются для изготовления режущих пластин, износостойких деталей, элементов органокерамической брони.

Контроль строительных конструкций, зданий и сооружений в настоящее время становится весьма актуальной проблемой в связи с большим количеством зданий и сооружений, требующих ремонта, реконструкции или реставрации, а также необходимостью оценки состояния эксплуатируемых и вводимых в эксплуатацию зданий и сооружений. Возможность оперативной экспериментальной оценки технического состояния и остаточного ресурса таких объектов по ЧСК может обеспечиваться различными видами экспериментальных обследований объектов контроля.

Дефектоскопия изделий. Акустический контроль, основанный на измерении ЧСК, дает интегральную оценку всего объема изделия. Однако обычно наличие нарушений целостности структуры изделия и наличие в нем дефектов приводит к понижению ЧСК и соответствующего значения Cl ниже некоторого заранее определенного значения и к изменению спектра ЧСК, т. е. изменению соотношения между ЧСК разных видов колебаний.

Возможно обнаружение различного рода дефектов структуры углеродных изделий - в чугунных отливках типа «шапка изолятора», в деревянных опорах линий электропередач и т.п.

Для некоторых типов углеграфитовых и керамических изделий обнаружено изменение значений ЧСК при многократных циклических термонагружениях, что показывает возможность использования результатов контроля для оценки ресурса изделия с целью своевременного вывода его из эксплуатации и предотвращения аварийных ситуаций.