Образцы для ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии

Важнейшим фактором обеспечения качественного ультразвукового контроля (УЗК) изделий, материалов, их соединений является обеспечение достоверности и единообразия при проведении контроля, особенно при диагностике объектов повышенной опасности, арбитражных проверках и отработке технологий.

Прочностные характеристики контролируемых материалов и соединений зависят от размеров дефектов, их плотности, вида и ориентации (объемные или плоскостные), координат расположения в изделии.

Плотность, вид, ориентация и координаты определяются благодаря стандартным технологиям ультразвукового (УЗ) прозвучивания и измерения времени прохождения ультразвука до данных дефектов. Произведение этого времени на скорость распространения ультразвука в материале позволяет определять искомое расстояния в объекте контроля, и рассчитать вышеуказанные характеристики.

Размеры же дефектов можно оценить, применяя:

1. Современные ультразвуковые дефектоскопы, позволяющие измерять эквивалентные площади этих дефектов (используя АРД диаграммы и опорные ультразвуковые сигналы от донной поверхности контролируемого материала или стандартного образца известной толщины, изготовленного из этого же материала, т. е. с таким же затуханием и скоростью распространения ультразвука)
2. Применяя опорные УЗ сигналы от искусственных отражателей, нормированных по отражающей ультразвуковой сигнал площади (мм2), и конфигурации (угловой, цилиндрический, дисковый, зарубка, сегментный и т.п.), изготовленных в стандартных образцах (СО) из известного (по затуханию и скорости распространения УЗ) материала. Соотношение эффективных площадей дефектов, обнаруженных на определенных расстояниях в контролируемых изделиях, и площади известного искусственного отражателя в СО, коррелируют с отношением амплитуд ультразвуковых сигналов (в дБ) от них, измеряя ультразвуковыми дефектоскопами.

Таким образом, достоверность, единообразие ультразвукового контроля, как в первом, так и во втором случаях, напрямую зависит от правильности выбора, достоверности и единообразия опорных сигналов от искусственных отражателей, изготавливаемых в стандартных ультразвуковых образцах, которые выполняют функцию мер физических величин скорости распространения ультразвука, затухания ультразвука и эффективной (отражающей ультразвук) площади искусственных дефектов.

Ультразвуковой же дефектоскоп в первом случае выполняет функцию средства измерительной техники прямого действия, а во втором случае — средства измерительной техники сравнения (компаратора).

Согласно ГОСТ 8.315-91 все стандартные образцы состава и свойств материалов и изделий по своему статусу подразделяются на государственные — ГСО, отраслевые — ОСО и стандартные образцы предприятий СОП. В ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии стандартные образцы предназначены для хранения, воспроизведения и передачи физических величин:

• Скорости распространения ультразвука (м/с),
• Затухания ультразвука (дБ) или коэффициента затухания (дБ/см),
• Эффективной площади дефекта (мм²),
• Эффективной толщины материала (мм).

В настоящее время в Украине нашли применение следующие стандартные ультразвуковые образцы:

Государственные стандартные образцы

Эти образцы предназначены для хранения и передачи единиц измерения скорости распространения ультразвука, затухания ультразвука, эффективной толщины и эффективной площади ультразвуковых отражателей отраслевым стандартным образцам, ультразвуковым дефектоскопам и толщиномерам.

Государственные стандартные образцы ослабления ультразвука

ГСО ОУ-1-1 (ГСО 4239-88)

σ_{продольных} УЗК = 1,3 дБ, Δ = ±1,5 дБ на частоте 5,0 мГц,

σ_{продольных} УЗК = 14,0 дБ, Δ = ±1,5 дБ на частоте 25,0 мГц,

С_{продольных} УЗК = 6430 м/с, Δ = ± 13 м/с.

Рис. 1. ГСО ОУ

ГСО 4239-88 применяют для передачи единицы измерения скорости и затухания ультразвука мерам установок типа УПЭД-2 (МИ 1165-86), УИСУ-2.

ГСО ОУ-1-2 (ГСО 4240-88)

σ_{продольных} УЗК = 0,5 дБ, Δ = ±1,5 дБ на частоте 5,0 мГц,

σ_{продольных} УЗК = 2,8 дБ, Δ = ±1,5 дБ на частоте 10,0 мГц,

С_{продольных} УЗК = 6060 м/с, Δ = ± 30 м/с.

ГСО ОУ-1-3 (ГСО 4241-88)

σ_{продольных} УЗК = 0,6 дБ, Δ = ±1,5 дБ на частоте 5,0 мГц,

С_{продольных} УЗК = 6060 м/с, Δ = ± 30 м/с.

(ГСО 4240-88) и (ГСО 4241-88) применяют для передачи единицы измерения скорости, затухания ультразвука и опорного сигнала при измерении площади отражателей мерам КМД-4 установок типа УПЭД-2 (МИ 1165-86), УП-10ПУ и УЗТ-1.

ГСО ОУ-1-4 (ГСО 4242-88)

σ_{продольных} УЗК = 0,1 дБ, Δ = ±1,3 дБ на частоте 1,25 мГц,

σ_{продольных} УЗК = 1,1 дБ, Δ = ±1,3 дБ на частоте 2,5 мГц,

С_{продольных} УЗК = 6376 м/с, Δ = ± 32 м/с.

σ_{сдвиговых} УЗК = 3,0 дБ, Δ = ±1,5 дБ на частоте 2,5 мГц,

σ_{сдвиговых} УЗК = 8,7 дБ, Δ = ±1,5 дБ на частоте 5,0 мГц,

С_{сдвиговых} УЗК = 3173 м/с, Δ = ± 30 м/с.

ГСО 4242-88 применяют для передачи единицы измерения скорости и затухания ультразвука мерам установок типа УПЭД-2 (МИ 1165-86).

ГСО ОУ-1-5 (ГСО 4243-88)

σ_{сдвиговых} УЗК = 1,2 дБ, Δ = ±1,0 дБ на частоте 5,0 мГц,

С_{сдвиговых} УЗК = 3270 м/с, Δ = ± 71 м/с.

Н_Ø6 мм = 44,00 мм, Δ = ± 0,05 мм

Н_Ø1,6 мм = 49,94 мм, Δ = ± 0,05 мм

Н_Ø1,0 мм = 49,92 мм, Δ = ± 0,05 мм

ГСО 4240-88 применяют для передачи единицы измерения скорости, затухания ультразвука и опорного сигнала при измерении площади отражателей образцов КМД-2, КОУ-2 (СО-2), ГСО-Р(СО-3Р) установками типа УПЭД-2 (МИ 1165-86), УП-10ПУ и УЗТ-1.

Государственные стандартные образцы эффективной толщины

КУСОТ-180 (КМТ-176 М1)

ХФПИ 2.706.010 ТУ

Диапазон эффективных толщин по сталь40×13 при скорости распространения УЗ 6050 ± 30 м/с от 0,2 до 300,0 мм,

Рис. 2. ГСО ЭТ

Δ = ± 0,7 % в диапазоне 0,2-5,0 мм,

Δ = ± 0,4 % в диапазоне 6,0-10,0 мм,

Δ = ± 0,3 % в диапазоне 12,0-300,0 мм.

Диапазон эффективных толщин по алюминию Д16Т при скорости распространения УЗ 6300 ± 30 м/с от 1,0 до 300,0 мм,

Δ = ± 0,7 % в диапазоне 1,0-5,0 мм,

Δ = ± 0,4 % в диапазоне 6,0-10,0 мм,

Δ = ± 0,3 % в диапазоне 12,0-300,0 мм.

Диапазон эффективных толщин по латуни Л63 при скорости распространения УЗ 4430 ± 30 м/с от 1,0 до 100,0 мм,

Δ = ± 0,7 % в диапазоне 1,0-5,0 мм,

Δ = ± 0,4 % в диапазоне 6,0-10,0 мм,

Δ = ± 0,3 % в диапазоне 12,0-100,0 мм.

Воспроизведение физических величин в данных образцах проводится на установках высшей точности для измерения скорости ультразвука типа УИСУ-01, УИСУ-2, измерителе скорости и затухания ультразвука типа УС-12ИМ c применением образцовых средств линейно — угловых измерений.

Отраслевые стандартные образцы

КМД2-0 (МД2-0-1; МД2-0-2)

(ЩЮ 5.170.045)

МД2-0-1

Рис. 3. ОСО КМД2-0-1

Диаметр цилиндрического отражателя 1,6 мм

Глубина залегания от 0,5 до 50 мм

σ_{продольных} УЗК не более 1,0 дБ, Δ = ±0,3 дБ на частоте 10,0 мГц,

С_{продольных} УЗК = 6030 м/с, Δ = ± 30 м/с.

МД2-0-2

Диаметр цилиндрического отражателя 1,0 мм

Глубина залегания от 0,5 до 50 мм

σ_{продольных} УЗК не более 1,0 дБ, Δ = ±0,3 дБ на частоте 10,0 мГц,

С_{продольных} УЗК = 6030 м/с, Δ = ± 30 м/с.

Предназначены для измерения параметров ультразвуковых импульсных дефектоскопов (чувствительности и погрешности измерения координат), получения опорного сигнала от цилиндрических отражателей при аттестации и поверке стандартных образцов предприятий.

КМД4-0 (от МД4-0-1 до МД4-0-25)

(ЩЮ 5.170.041)

Рис. 4. ОСО КМД 4-0

Диаметры дисковых (плоскодонных) отражателей 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 3,2 мм

Глубина залегания отражателя от 1,0 до 180 мм

σ_{продольных} УЗК не более 1,0 дБ, Δ = ±0,3 дБ на частоте 10,0 мГц,

С_{продольных} УЗК = 6030 м/с, Δ = ± 30 м/с.

Разброс С_{продольных} УЗК в комплекте не более 2 %

Отклонение амплитуд сигналов от однотипных отражателей не более 3 дБ.

Предназначены для измерения параметров (чувствительности и погрешности измерения глубины залегания и эффективной площади отражателя) ультразвуковых импульсных дефектоскопов и получения опорного сигнала от дискового отражателя при аттестации и поверке стандартных образцов предприятий.

ГСП КОУ-2 (СО-1; СО-2; СО-3; СО-4)

(ГОСТ 14782-86; ТУ 25-06.1847-78)

СО-1

Рис. 5. СО-1

С_{продольных} УЗК = 2670 м/с, Δ = ± 113 м/с,

t₂₀ = 20 ± 1 мкс. Δt по глубине = 1,50; 2,24; 3,75 мкс,

Глубина залегания цилиндрических отражателей Ø 2,0 мм от 5 до 55 мм,

К₂₀ = -3,0 дБ,

К₅₀ = -29,0 дБ.

СО-2

Рис. 6. СО-2

С_{продольных} УЗК = 5900 м/с, Δ = ± 59 м/с,

t₂₀ = 20 ± 1 мкс,

α от 0 до 80; Δ α = ± 10,

Глубина залегания цилиндрического отражателя Ø 6,0 мм - 15 и 44 мм,

Глубина залегания цилиндрических отражателей Ø 2,0 мм - 3 и 8 мм,

Отклонение амплитуды сигнала от однотипного отражателя Ø 6,0 мм в ГСО ОУ 1-5 не более 2,0 дБ.

СО-3

Рис. 7. СО-3

С_{продольных} УЗК = 5900 м/с, Δ = ± 59 м/с,

ΔR не более 0,1 мм,

L = от 0 до ± 20 мм; Δ L = ± 0,1 мм

СО-4

Рис. 8. СО-4

С_{продольных} УЗК = 3120 м/с, Δ = ± 32 м/с,

tg α = 0,042.

Комплект образцов типа КОУ-2 предназначен для настройки параметров ультразвуковых импульсных дефектоскопов и получения опорных сигналов от цилиндрического отражателя Ø 6,0 мм и Ø 2,0 мм при проведении ультразвукового контроля, а также при аттестации и поверке стандартных образцов предприятий.

ГСО-Р (СО-1Р; СО-3Р)

(ГОСТ 18576-96)

СО-1Р

С_{продольных} УЗК = 2670 м/с, Δ = ± 113 м/с,

Глубина залегания цилиндрических отражателей Ø 8,0 мм от 5 до 50 мм,

К₂₀ = -3,0 дБ,

К₅₀ = -29,0 дБ.

СО-3Р

С_{продольных} УЗК = 5900 м/с, Δ = ± 118 м/с,

t₂₀ = 20 ± 1 мкс,

α от 0 до 70; Δ α = ± 10,

Глубина залегания цилиндрического отражателя Ø 6,0 мм - 15 и 44 мм,

Глубина залегания цилиндрических отражателей Ø 2,0 мм - 3; 6; 9 и 12 мм,

Отклонение амплитуды сигнала от однотипного отражателя Ø 6,0 мм в ГСО ОУ 1-5 не более 2,0 дБ.

ΔR не более 0,1 мм,

L = от 0 до 20 мм; Δ L = ± 0,1 мм

Рис. 9. СО-3P

Комплект образцов типа ГСО-Р предназначен для настройки параметров ультразвуковых импульсных дефектоскопов (преимущественно рельсовых) и получения опорных сигналов от цилиндрического отражателя Ø 6,0 мм и Ø 2,0 мм при аттестации и поверке стандартных образцов предприятий.

Кроме рассмотренных стандартных образцов для контроля определенных типов изделий используют дополнительные СО, изготовленные в соответствии с ведомственной нормативной документацией.

Поверка (калибровка) отраслевых стандартних образцов проводится путем прямого измерения их характеристик на установках УИСУ-01, УИСУ-2, приборами УС-12ИМ, УД2-70 и другими с применением ГСО ОУ.

Стандартные образцы предприятий

При ультразвуковом контроле конкретных материалов, изделий и соединений, опорные сигналы для настройки ультразвуковых импульсных дефектоскопов, как правило, получают от искусственных отражателей в стандартных образцах предприятий, изготавливаемых из материалов близких по своим акустическим характеристикам (скорости распространения и коэффициенту затухания).

ГОСТ 14782-86 предусматривает несколько типов СОП с искусственными отражателями в виде:

• плоскодонных дисковых отражателей ориентированных перпендикулярно ультразвуковому лучу;
• угловых отражателей в виде зарубки с вертикальной рабочей гранью ориентированной перпендикулярно плоскости сканирования преобразователя;
• цилиндрических отверстий, образующая которых направлена перпендикулярно УЗ лучу;
• сегментных отражателей, с отражающей поверхностью расположенной перпендикулярно акустической оси ПЭП.

Для каждой группы материалов, изделий и соединений подготавливают свои технологические инструкции (отраслевые или предприятий), в которых нормируются формы и размеры искусственных дефектов, классы дефектности которые и связаны с прочностными характеристиками контролируемой продукции.

Таких инструкций может быть большое количество. Однако, учитывая основные отраслевые документы и основные наиболее ответственные виды продукции, в настоящее время в Украине нашли применение стальные стандартные образцы предприятий с отражателями, параметры которых указаны ниже. Обобщенные характеристики отражателей в зависимости от нормативной документации приведены в виде таблицы.

Используемые сокращения:

СОП — стандартный образец предприятия; НД - нормативный документ; Эквив. отр. — эквивалентный отражатель; Sэкв — площадь эквивалентного отражателя; Sотр — площадь отражателя; b - ширина отражателя; h - глубина (высота) отражателя; СО-2 — стандартный образец №2 согласно ГОСТ 14782-86;

Табл. 1. Ориентировочные параметры отражателей СОП в зависимости от нормативной документации

* — нормы для сварных соединений труб котлов и трубопроводов, подпадающих под действие правил Госпроматомнадзора.

Примечание. Данная таблица (Табл. 1) приведена до номинального размера по толщине материала — 20мм, имеет информационно-сравнительный характер и не отражает в полной мере требования всех документов по параметру «Номинальная толщина», «Диапазон толщин». Полное отображение во всех диапазонах толщин привело бы к значительному увеличению объёма данной таблицы. Значения номинальных толщин содержащих дробные части округлены в сторону большего целого значения. Такие нормы документов, как: «- в диапазоне до…»; «- в диапазоне свыше…»; « — включая…» — не отражены.

Для обеспечения воспроизводимости ультразвукового контроля, повышения его достоверности и единства при изготовлении и эксплуатации ультразвуковых стандартных образцов — как мер физических величин, необходимо приписывать и контролировать следующие характеристики:

1. Ультразвуковые характеристики контролируемого материала: