В последнее время рядом организаций (ЦНИИТМАШ, ВТИ, Союзтехэнерго, ЭМП) проведен комплекс исследований по совершенствованию ультразвукового контроля за сварными соединениями оборудования мощных блоков. Разработаны и введены в действие новые основные правила ОП 501 ЦД-75. Сущность наиболее важных положений заключается в следующем.
Для эталонирования чувствительности УЗК по эквивалентной площади отражателей и проверки параметров контроля предусматривается использование стандартных образцов № 1—4 и испытательных образцов № 9 и 10 по ГОСТ 14782-76. Ширина поверхности изделия {Rz<40), подготовленной под контроль с каждой стороны шва, должна составлять не менее 2,5 Н+40 мм при толщине Н свариваемых кромок до 65 и 1,35 Н + 4-40 мм при большей толщине. Ширина валика усиления шва не должна превышать 1,6 Я+6 мм для толщин кромок менее 20 мм. Большинство работ по УЗК выполняется с применением серийных призматических наклонных искателей. Для труб с наружным радиусом менее 100 мм рабочая (контактная) поверхность призмы искателя должна скругляться, при этом радиус ее вогнутой части должен быть на 1—2 мм больше наружного радиуса трубы. Это необходимо для стабилизации акустического, контакта.
Развертка настраивается по угловым отражателям типа «зарубка» (для сварных соединений с толщиной стенки до. 20 мм), по двугранным углам (в интервале толщин 20—64,5 мм), по боковой поверхности цилиндрического отверстия на глубине 10 мм от поверхности испытательного образца и двугранному углу испытательного образца (для толщин более 65 мм).
Калибровка уровней чувствительности выполняется по угловым отражателям (для толщин менее 20 мм) в испытательном образце и по боковой поверхности отверстия в стандартном образце № 2 по ГОСТ 14782-76 (для толщин более 20 мм).
При УЗ К используются следующие четыре градации чувствительности: поисковая, контрольная, первая и вторая браковочные. Первая градация (наивысшая чувствительность) применяется в режиме поиска дефектов, вторая — при определении значений измеряемых характеристик, третья — для однопараметровой оценки качества металла по амплитуде эхо-сигнала, четвертая — для оценки качества по амплитуде с учетом формы дефекта. Поисковый уровень чувствительности устанавливается в зависимости от типа и толщины сварного соединения. Остальные градации следуют с интервалом 6 дБ, при этом их положение относительно исходного поискового уровня зависит от глубины залегания дефекта.
Все четыре градации амплитуд используются только для толщин более 65 мм. Для меньших толщин и угловых соединений применяются первые три градации. Начальный интервал между первой и второй градациями принят равным 4 дБ для сварных соединений с толщиной менее 20 мм и 6 дБ — в остальных случаях.
Выполняются следующие операции: поиск и обнаружение сигналов от несплошностей сварного металла, определение координат предполагаемых дефектов и сравнение максимальной амплитуды сигнала с уровнем контрольной градации; измерение предусмотренных размеров дефекта, если амплитуда превышает второй (контрольный) уровень, но меньше третьего; оценка качества металла по условной высоте и протяженности импульса; сравнение амплитуды сигнала с третьим (первым браковочным) уровнем и однопараметровая оценка качества металла по амплитуде; оценка качества металла по амплитуде сигнала и коэффициенту формы дефекта, если амплитуда лежит в интервале между третьим и четвертым уровнями; сравнение амплитуды сигнала с четвертым уровнем и оценка качества металла по этому признаку; подсчет количества мелких и крупных дефектов, а также их суммарной условной протяженности, оценка качества металла по этим признакам.
Баллом 1 оцениваются сварные соединения, если любая измеряемая характеристика превышает свой нормативный уровень или эпюры сигналов на экране дефектоскопа имеют характерные признаки, соответствующие недопустимым дефектам. Баллом 3 оцениваются сварные соединения, в которых отсутствуют дефекты на контрольном уровне градации чувствительности. Остальные сварные соединения оцениваются баллом 2. Для тонкостенных сварных соединений действует двухбалльная оценка: 1 — неудовлетворительное, 2 — удовлетворительное качество металла.
Коэффициент формы не измеряется для поверхностных и подповерхностных дефектов (глубины до 10—15 мм). Следует также иметь в виду, что дефекты, характеризующиеся ненаправленным отражением, например в виде расходящихся трещин, не могут быть распознаны по коэффициенту формы. Во время эксплуатации металла трещины развиваются с поверхности и от скрытых дефектов изготовления. Для таких эксплуатационных дефектов метод измерения коэффициента формы не пригоден.
На рис. 9-5 для ряда частот и углов преломления β даны экспериментальные кривые зависимости амплитуды эхо-сигнала от глубины h эксплуатационных трещин, имитируемых фрезерованными пазами прямоугольного профиля. Кривые получены в иммерсионном варианте на образцах толщиной 30 мм, изготовленных из листового проката. Кривые в целом согласуются с теоретической зависимостью (9-16] 
где R и φ — модуль и фаза коэффициента отражения ультразвука от полуплоскости для угла β.
На участках замедления роста амплитуды при увеличении углового отражателя возрастает погрешность определения размера грани отражателя по амплитуде эхо-сигналов. Амплитуда эта может уменьшаться при изменении ориентации отражающей грани углового отражателя, а также вследствие неплоскостности или полупрозрачности грани. На рис. 9-6 показаны экспериментальные кривые зависимости условной высоты и ширины от глубины прямоугольного паза (иммерсионный вариант). Условная высота и ширина отложены в прямо пропорциональных единицах.
Условные характеристики, измеренные при постоянном относительном ослаблении амплитуды, практически не зависят от глубины паза. Рассчитанное отношение μ условной высоты к условной ширине равно sin р для дефектов, которые в дифференциальном приближении могут быть описаны центром отражения (сфера, цилиндр). По экспериментальным данным μ = 0,64 для ослабления 10 дБ и μ. = 0,65 для ослабления 20 дБ при значении sin β = 0,68. Это свидетельствует о центральном характере отражения от угловых дефектов (дальняя зона). При измерении условных характеристик на фиксированном абсолютном уровне амплитуды их значения для угловых дефектов при β=40-5-60° будут расти вместе с увеличением размера дефектов.
Ультразвуковой контроль за сварными соединениями сопровождается помехами (см. табл. 9-3). В табл. 9-9 дан перечень распределений сигналов для аддитивных помех при различных параметрах электроакустического тракта дефектоскопа.
Удвоение правой части неравенства (9-Зу, а также множителя перед \iVN в (9-4) обеспечивает 95, а утроение 99,8% вероятности обнаружения дефекта и достоверности интервала оценки его эквивалентной площади по среднему выборочному, приравниваемому к среднему, значению по генеральной совокупности.
Реверберационные флуктуации сигнала при перемещении искателя приводят к несовпадению линии пеленга дефекта с акустической осью искателя. Следовательно, предположение о неизменности пеленга приводит к методическим ошибкам в определении угловых координат дефекта по максимуму сигналов. На рис. 9-7 показано экспериментальное распределение сигналов (амплитуд) при наличии коррелированных реверберационных шумов, распределенных по нормальному закону. Оно удовлетворительно совпадает с законом Релея.
Таблица 9-9
Характеристики распределения сигналов при ультразвуковом контроле
Рис. 9-7. Сопоставление гистограммы структурной реверберации ультразвуковых импульсов с законом Релея для стали Х18Н9Т (балл зерна 4, частота 2,5 МГц; средняя амплитуда <А> = 6,81; средний квадрат амплитуды <Л2> = 58,665; дисперсия 5,4).
Была предложена математическая модель плотности вероятности для квадрата коэффициента Κι выявляемости дефектов различной конфигурации (но равной площади отражающей поверхности), основанная на известном анализе амплитуд эхо-сигналов от групп эксплуатационных трещин:
(9-5)
На рис. 9-8 даны экспериментальные значения максимальных эхо-сигналов при сканировании для отдельного углового отражателя в виде двугранного угла (кривая 1), отдельного углового прямоугольного паза (кривая 2) глубиной 1,1 мм (ширина 0,5 мм), группы из четырех и пяти пазов (кривая 4), следующих с периодом 3,5 мм при изменении угла падения ультразвука из воды на поверхность стального образца толщиной 30 мм (частота 2 МГц, высота слоя воды 30 мм, диаметр пьезопластины 16 мм). Амплитуда сигнала от головного паза (кривая 3) группы меньше, чем от отдельного равновеликого паза (кривая 2). Сигнал от группы отражателей (кривая 4) меньше сигнала от отдельного отражателя (кривая 2) примерно в 3 раза в широком диапазоне углов преломления. Естественные трещины, возникающие при эксплуатации металла, имитировались цепочкой угловых отражателей, глубина которых увеличивалась к середине группы (глубина крайних 0,2—0,3, средних 0,6—1 мм). Выявить такие группы по сигналу от головного (крайнего) отражателя с помощью серийных дефектоскопов оказалось невозможным. Сигнал от середины группы был в 2—3 раза меньше сигнала от отдельного отражателя, равновеликого максимальному.
Это свидетельствует о необходимости тщательного многопараметрового УЗК эксплуатируемого металла на электростанциях с определением наряду с амплитудой дополнительных характеристик, например условной ширины. Неравномерность распределения трещин по габаритам и интервалам между ними приводит к различию амплитуд эхо-сигнала при прозвучивании во встречных направлениях. Поэтому наличие резко выраженного указанного признака свидетельствует о возможном растрескивании металла, при этом размеры одной из трещин (лидера) существенно превышают размеры соседних.
В табл. 9-10 приведены данные о выявляемости дефектов с постоянным коэффициентом К (отдельные отражатели простой формы) и с изменяющимся К. в интервале от 0 до 1 (группы дефектов); как видно, экспериментальные значения находятся вблизи максимальных, рассчитанных по формулам.
Та блица 9-10
Оценка экспериментальной выявляемости и потенциальной опасности различных
моделей дефектов
Примечание. Численная оценка получена для длины волны λ=1-5-5 мм, N — 3-5-10; 2 в — 3 мм*
Это объясняется применением оптимальных методик для получения экспериментальных данных. Экспериментальные данные по выявлению групп сфер или цилиндров (пористость сварного металла) отсутствуют ввиду трудностей их определения. Из сопоставления данных второй и третьей строк таблицы · с данными последней строки следует, что имеется корреляция между коэффициентом выявляемо- сти и степенью опасности дефектов.
Формула (9-6) позволяет найти минимальную вероятность обнаружения поврежденного оборудования в зависимости от суммарного количества дефектов, параметров или методов контроля. Так как вероятность пропуска дефекта при т испытаниях равна рт, где р — вероятность для одного испытания, то вероятность достоверного обнаружения есть П = 1—рт. Для уровня чувствительности, соответствующего <Д>, согласно вышеприведенным результатам р = 0,54 (54%). Следовательно, для т = 5, например, П = 0,95. В' практике УЗК p 0,l-f-0,2, и для указанного числа параметров минимально достигаемое значение П равно 0,9997.
