Методические аспекты УЗК дифракционно-временным методом в европейских стандартах

Методические аспекты УЗК дифракционно-временным методом в европейских стандартах

Об авторе


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).

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.

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.

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

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.

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.

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).

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.