В последнее время некоторыми разработчиками активно рекламируются методики УЗК кольцевых сварных швов труб малого диаметра преобразователями (ПЭП) с плоской (непритертой) контактной поверхностью. Настройку чувствительности дефектоскопа при такой технологии предусмотрено проводить по плоским стандартным образцам предприятия (СОП) или по образцу V-2, а в качестве отражателя использовать торец образца или угловой отражатель в виде заубки или вертикального сверления у первых и вогнутую цилиндрическую поверхность в образце V2.
Считается, что основным преимуществом таких методик является резкое уменьшение числа СОП, поскольку предлагается использовать один образец для настройки чувствительности контроля для широкого размерного сортамента труб. Однако в литературе не приводятся оценки, даже априорные, достоверности и воспроизводимости результатов применения таких методик.
Эти критерии во многом, если не полностью, определяются износостойкостью рабочей (контактной) поверхности призмы ПЭП.
Ранее было показано, что применение износостойких наклонных ПЭП с наклеенными на призму керамическими (ситалловыми) или металлическими протекторами не обеспечивает стабильный акустический контакт и требуемую достоверность контроля. Поэтому ПЭП такой конструкции не рекомендованы к использованию, а в ряде отраслей даже запрещены.
Призмы из пластмасс с притертой рабочей поверхностью по диаметру трубы обеспечивают достаточно стабильный акустический контакт, но их износостойкость мала.
В процессе сканирования по трубе у ПЭП с плоской рабочей поверхностью на призме вследствие эрозионного износа образуется мениск (желобок) с радиусом, близким к радиусу трубы. Очевидно, что наличие мениска по-разному изменяет акустическую прозрачность контактного слоя на плоской и криволинейной поверхностях трубы и, соответственно, фактический уровень чувствительности дефектоскопа.
Поскольку в литературе количественные данные по износу ПЭП на цилиндрических поверхностях и его влиянию на акустическую прозрачность контактного слоя отсутствуют, нами были поставлены специальные эксперименты.
Испытывались наклонные УЗ-преобразователи с плоской рабочей поверхностью типа “НЕДА” (Энергомонтажпроект), ПКН (ЦНИИТМАШ), НМ-55 “Снежинка” (Волна), МWВ 70-№ 4 (Крауткремер, Германия), АВWМ-5Т (Панаметрикс, США) и SАН5-10-70 (Сонатест, Англия). Эти ПЭП имеют различную конструкцию и материалы призмы. В частности, в ПЭП “НЕДА" и АВWМ-5Т “копытце” из оргстекла залито в матрицу из более твердой пластмассы, а МWВ 70-№ 4 имеет металлическую окантовку рабочей поверхности. Призма НМ-55 изготовлена из капролона.
В первом цикле экспериментов мениск у ПЭП SАН5- 10-70 формировался с помощью специального держателя ПЭП и цилиндра Ø 50 мм, оклеенного мелкой абразивной бумагой. В этом случае выдерживалась правильная геометрическая форма мениска (т. е. в поперечном сечении это был сегмент с радиусом 50 мм). Глубина мениска измерялась микрометром с конусной насадкой, входящей в мениск.
При разных глубинах мениска измерялись амплитуды сигналов А, дБ, от указанных ниже отражателей, и полученные значения нормировались относительно первоначального значения А01, измеренного при плоской рабочей поверхности призмы (ΔА = А - А0). Все измерения проводились в режиме развертки “М” (запоминание) на процессорном дефектоскопе УДЦ-201П, сертифицированном в Госстандарте (№ 2313) и метрологически аттестованном во ВНИИОФИ. Цена деления измерителя амплитуд сигналов 0,1 дБ. Каждое измерение амплитуды опорного сигнала повторялось 5-8 раз, и данные усреднялись.
Уместно заметить, что проведение измерений амплитуд в режиме “М”, во-первых, более удобно и просто, поскольку позволяет фиксировать максимум в динамике, а во-вторых, обеспечивает значительно меньшую дисперсию отсчетов и повышение точности при существенном сокращении времени измерений.
Для измерений использовались следующие образцы:
- стандартные СО-3 по ГОСТ 14782-86 (отражатель № 1) и V2 по ISО-7963 (отражатель № 2)
- плоский толщиной 20 мм с боковым отверстием Ø 4 мм на глубине 6 мм (отражатель № 3)
- плоский СОП толщиной 4 мм; отражатели - торец (№ 4) и вертикальное сверление Ø 3 мм (№ 5)
- трубный СОП диаметром 50 мм с толщиной стенки 4 мм; отражатели - торец (№ 6) и зарубка 2x1,0 мм (№ 7)
- трубный диаметром 50 мм с толщиной стенки 4 мм; отражатели - торец (№ 8) и вертикальное сверление диаметром 3 мм (№ 9)
Результаты эксперимента представлены на фото линиями черного цвета. Главный вывод - появление мениска уменьшает амплитуду сигналов отражателей в плоских образцах (1 - 5) и увеличивает в образцах диаметром 50 мм (6 - 9). Некоторое нарушение монотонности может быть объяснено осциллирующим характером акустической прозрачности контактного слоя призмы, когда ширина (хорда сегмента) мениска меньше размеров пьезоэлемента.
С увеличением глубины мениска почти пропорционально меняются амплитуды сигналов и между кривыми (1 -5) и (6-9). То есть при настройке чувствительности по любому плоскому образцу наличие мениска приводит к завышению чувствительности, причем тем большему, чем глубже мениск.
Во втором цикле экспериментов мениск формировался путем имитации ручного сканирования ПЭП SАН5-10-70 на том же барабане Ø 50 мм, оклеенном абразивной бумагой.
При таком сканировании мениск был значительно шире с далеким от окружности профилем в поперечном сечении. Результаты экспериментов показаны на фото красными линиями. Как видно, общий характер зависимостей сохраняется. Однако неопределенная форма мениска вызывает существенные осцилляции акустической прозрачности и на плоских, и на цилиндрических образцах и большую дисперсию.
В третьем цикле проводились испытания ПЭП на износостойкость на образце трубы диаметром 50 мм, установленной в специальном ложементе. Поверхность сканирования трубы зачищалась абразивным камнем и тщательно очищалась от абразивной пыли. Среднее значение R2 шероховатости поверхности образца, измеренное датчиком ДШВ, составило 35 ± 8 мкм.
Соответствие качества поверхности образца качеству зачистки штатной продукции и требованиям РД подтверждено двумя независимыми экспертами с заводов. Ручное сканирование производилось по обычной технологии контроля кольцевых сварных швов путем возвратно-поступательного перемещения ПЭП по образующей. При этом образец трубы также проворачивался вручную. Контактная жидкость - машинное масло. Процесс сканирования хронометрировался. В начале и конце испытаний проводились измерения опорных сигналов в вышеупомянутых образцах.
В результате испытаний установлено, что заметный износ ПЭП с образованием мениска (выемки) на рабочей поверхности призмы глуби-ной более 0,1 мм проявляется на всех типах ПЭП уже через 10 минут непрерывного сканирования (!). За 20 мин сканирования износ призмы ПЭП типа АВWМ-5Т составил 0,2 мм; SАН5-10-70 - 0,21 мм; ПКН - 0,23 мм; МWВ 70-№ 4 - 0,28 мм; НМ-55 “Снежинка” - 0,3 мм; “НЕДА” - 0,4 мм.
Из результатов всех экспериментов следует:
1. Образование мениска на исходно плоской рабочей поверхности ПЭП приводит к изменению акустической прозрачности контактного слоя. Причем на плоских образцах она уменьшается, а на трубных (цилиндрических) увеличивается (“ножницы чувствительности”).
2. При настройке по торцу цилиндрического образца ПЭП с мениском, эквидистантным поверхности образца, увеличение глубины мениска незначительно изменяет уровень чувствительности относительно первоначального. В нашем эксперименте изменение мениска с 0,1 до 0,3 мм в среднем изменяет первоначальный уровень чувствительности всего на 0,2 дБ.
3. При первоначальной настройке чувствительности дефектоскопа для контроля трубных стыков по торцу с плоской поверхностью (или отражателя в нем), фактическая чувствительность дефектоскопа к дефектам увеличивается при образовании мениска. В нашем случае через 20 мин сканирования увеличение (по разным отражателям) составляет 2,8 и 5,0 дБ для ПЭП “НЕДА”, 2,7 и 2,8 дБ для SАН5-10-70 и 4,3 и 5,9 дБ для ПЭП МWВ70-№ 4.
При повторной аналогичной настройке, проведенной после двадцатиминутного сканирования, фактическая чувствительность дефектоскопа увеличивается относительно первоначального уровня на 9,7 + 12,8 дБ для ПЭП НЕДА; 7,6 + 8,9 дБ для SАН5-10-70, и 11,1 + 14,5 дБ для МWВ70-№ 4. По мере увеличения длительности сканирования мениск и, соответственно, ошибка в настройке увеличиваются.
Это обусловливает и увеличивающуюся значительную ошибку в обнаружении (ложном) и в завышении размеров несплошности (перебраковка) при настройке по плоскому образцу.
4. Среднеквадратичная ошибка в измерении амплитуды эхо-сигнала оt(А) в случае плоской контактной поверхности ПЭП больше на трубных образцах, чем на плоских, а при наличии мениска - наоборот.
5. Полученные количественные результаты относятся к выбранным условиям эксперимента. Их числовое выражение может варьироваться в зависимости от параметров электроакустического тракта, формы и длительности зондирующего импульса, траектории сканирования, силы прижатия ПЭП, шероховатости поверхности и других факторов. Но принципиальный характер полученных соотношений при этом не меняется.
Выводы
1. На рабочей поверхности наклонных ПЭП любой конструкции в процессе сканирования образуется мениск (выемка), изменяющий в противоположные стороны первоначальную акустическую прозрачность контактного слоя на плоской и цилиндрической поверхностях, что не может быть учтено и скорректировано при настройке чувствительности на образцах с плоской поверхностью. Поэтому применение методик УЗК цилиндрических изделий диаметром менее 180-200 мм плоскими наклонными ПЭП с настройкой по СОП с плоской поверхностью должно быть запрещено, так как они не обеспечивают получение достоверных и воспроизводимых результатов контроля.
2. Технология УЗК кольцевых сварных швов труб малого диаметра должна базироваться на использовании проточенных под диаметр объекта (притертых) ПЭП, а настройка чувствительности должна производиться по образцам.
