Trzynaste Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane, 13-16 marca 2007 ULTRADŹWIĘKOWE BADANIE RUR W TOKU PRODUKCJI Grzegorz HOTTOWY Przedsiębiorstwo EKSPLAST Sp. z o.o., Gliwice, eksplast@xl.wp.pl 1. Wstęp Rura - element o regularnym, nieskomplikowanym kształcie - jako obiekt badania ultradźwiękowego stanowi prawdziwe wyzwanie dla projektantów urządzeń przeznaczonych do zautomatyzowanych badań nieniszczących. Badanie rur bez szwu, prowadzone w toku produkcji, powinno ujawnić pęknięcia i zawalcowania na powierzchniach zewnętrznych i wewnętrznych oraz rozwarstwienia i niedopuszczalne odchyłki grubości ścianek. W przypadku rur spawanych (zgrzewanych) stosowane jest wszechstronne badanie spoiny, obejmujące zarówno wykrywanie nieciągłości jak i kontrolę kształtu geometrycznego (np. sprawdzenie poprawności usunięcia wypływki po zgrzewaniu), a także badanie materiału rodzimego w strefie przyspoinowej lub na całej powierzchni rury. Duże zróżnicowanie wymiarów produkowanych rur: średnice od kilku milimetrów do ponad metra, grubości ścianek od 1 do kilkudziesięciu milimetrów, powodują konieczność stosowania dla różnych grup wymiarowych, odpowiednio dobranych technik badania. Kształty i usytuowanie wykrywanych nieciągłości wymuszają wykorzystanie różnego typu fal ultradźwiękowych, wprowadzanych do badanych rur w różnych kierunkach i pod różnymi kątami. Pociąga to za sobą konieczność stosowania wielu typów głowic i komplikuje konstrukcję bloków kontrolnych. Wprowadzanie i odbieranie fal ultradźwiękowych przez powierzchnie walcowe; zmieniająca się geometria wiązki przy każdym kolejnym, wewnętrznym odbiciu fali wędrującej w materiale rury oraz deformacje wiązki wynikające z nieprawidłowej geometrii rur (owal, zmienna grubość ścianki), utrudniają analizę i komplikują interpretację wyników badania. Przeprowadzenie ultradźwiękowego badania rur w pełnym zakresie - zapewniającego wykrycie wszystkich spodziewanych nieciągłości materiałowych i niezgodności geometrycznych - jest technicznie trudne i często realizowane z wykorzystaniem kilku systemów defektoskopowych, rozmieszczonych w różnych fragmentach ciągu produkcyjnego lub w bezpośrednim, wzajemnym sąsiedztwie. Pozwala to optymalnie synchronizować badanie z fazą procesu produkcyjnego i różnicować, w zależności od potrzeb, zakres prowadzonych badań. Celem niniejszego opracowania jest omówienie wybranych aspektów technologii automatycznego, ultradźwiękowego badania rur stalowych - aspektów, zdaniem autora, szczególnie istotnych dla oferenta, projektanta i dostawcy systemów defektoskopowych, ale interesujących także dla potencjalnego użytkownika.
2. Podstawowe wymagania zawarte w normie PN-EN 10246 Norma PN-EN 10246 zawiera kompleksowe wymagania dotyczące nieniszczących badań rur stalowych. Norma składa się z 18 części poświęconych różnym metodom badań, w tym: elektromagnetycznej, prądów wirowych, magnetycznego strumienia rozproszenia, ultradźwiękowej, radiograficznej i magnetyczno-proszkowej. Stosowanie wymienionych metod badań podporządkowano następującym celom: kontroli szczelności rur, wykrywaniu nieciągłości wzdłużnych i poprzecznych, wykrywaniu nieciągłości na powierzchni zewnętrznej pomiarom grubości ścianki wykrywaniu rozwarstwień Badaniom ultradźwiękowym poświęcono łącznie 9 części normy (patrz tablica 2.1.), w tym badaniom automatycznym rur 7 części, w których omówiono: wykrywanie nieciągłości poprzecznych na całym obwodzie rury - część 6 wykrywanie nieciągłości wzdłużnych na całym obwodzie rury - część 7 wykrywanie nieciągłości wzdłużnych w spoinach spawanych - część 8 elektrycznie wykrywanie nieciągłości wzdłużnych i/lub poprzecznych w spoinach wykonanych łukiem krytym - część 9 pomiary grubości ścianki na całym obwodzie rury - część 13 wykrywanie rozwarstwień w ściankach rur - część 14 wykrywanie rozwarstwień w strefach przyspoinowych - część 16 Pozostałe 2 części normy, dotyczące badań ultradźwiękowych poświęcono: wykrywaniu rozwarstwień w taśmach/blachach przeznaczonych do produkcji rur - część 15 wykrywaniu rozwarstwień w końcach rur - część 17 Zakłada się, że badania rur będące przedmiotem cytowanych części normy PN-EN 10246, są wykonywane po zakończeniu wszystkich głównych operacji produkcyjnych. Wymaga się, aby rury kierowane do badania były proste i wolne od obcych materiałów, w stopniu zapewniającym wiarygodność badania. Wymaga się także, aby prędkość głowic ultradźwiękowych względem badanego materiału nie zmieniała się podczas badania o więcej niż +10 %. Wybrane parametry dotyczące technologii badań stosowanych do wykrywania nieciągłości wzdłużnych i poprzecznych przedstawiono w tablicy 2.2. Poziomy akceptacji i głębokości reflektorów odniesienia przedstawiono w tablicach 2.3., 2.4. i 2.5. Uwaga: zestawienia porównawcze parametrów przedstawione w tablicach 2.2 2.5 zostały opracowane wyłącznie dla potrzeb niniejszego wykładu i nie mogą być traktowane jako źródła danych dla technologii czy instrukcji badań - zastosowanie przytoczonych danych w praktyce wymaga znajomości kompletnych informacji i komentarzy zawartych w cytowanych częściach normy PN-EN 10246.
Tablica 2.1. Wykaz części PN-EN 246 - Badania nieniszczące rur stalowych Wybór części dotyczących badań ultradźwiękowych Cel badania Tytuł części Nr części Odpowiednik ISO Nieciągłości wzdłużne i/lub poprzeczne Grubość ścianki Rozwarstwienia Automatyczne badanie ultradźwiękowe rur stalowych bez szwu w celu wykrycia nieciągłości poprzecznych na całym obwodzie Automatyczne badanie ultradźwiękowe rur stalowych bez szwu i spawanych (z wyłączeniem rur spawanych łukiem krytym) w celu wykrycia nieciągłości wzdłużnych na całym obwodzie Automatyczne badanie ultradźwiękowe spoin rur stalowych spawanych elektrycznie w celu wykrycia nieciągłości wzdłużnych Automatyczne badanie ultradźwiękowe spoin rur spawanych łukiem krytym celem wykrycia nieciągłości wzdłużnych i/lub poprzecznych Automatyczny ultradźwiękowy pomiar grubości ścianki rur stalowych bez szwu i spawanych (z wyłączeniem rur spawanych łukiem krytym) na całym obwodzie Automatyczne badanie ultradźwiękowe rur stalowych bez szwu i spawanych (z wyłączeniem rur spawanych łukiem krytym) w celu wykrycia rozwarstwień Automatyczne badanie ultradźwiękowe taśm/blach używanych do produkcji rur stalowych spawanych w celu wykrycia rozwarstwień Automatyczne badanie ultradźwiękowe obszarów przyległych do spoiny w rurach stalowych ze szwem w celu wykrycia rozwarstwień Badanie ultradźwiękowe końców rur stalowych bez szwu i spawanych w celu wykrycia rozwarstwień 6 9305 7 9303 8 9764 9 9765 13 10543 14 10124 15 12094 16 13663 17 11496
Tablica 2.2. Podstawowe parametry technologii badania Parametr Lokalizacja i rodzaj wykrywanej nieciągłości / {nr części normy} Cały obwód rury Spoina Spoina Poprzeczne {część 6} Wzdłużne {część 7} Wzdłużne {część 8} Wzdłużne i/lub poprzeczne {część 9} Rodzaje rur bez szwu bez szwu spawane spawane łukiem i spawane elektrycznie krytym Średnica zewn. D 10 mm D > 10 mm D 10 mm - Grubość ścianki - g D/5 - - Zakres badania z całej powierzchni zewnętrznej na całej długości spoiny Rodzaj fali poprzeczna (T) poprzeczna (T) lub Lamba - Kierunek wzdłużny obwodowy prostopadły do kierunki propagacji wiązek (2 wiązki (2 wiązki spoiny, optymalne, fal przeciwbieżne) przeciwbieżne) z dwóch stron z dwóch stron Częstotliwość 1 15 MHz fala T: 1 15 MHz 2 10 MHz fala Lamba: 0,3 1 MHz Szerokość dla przetw. fal T: sp 25 mm przetwornika (sp) sp 25 mm dla przetw. fal Lamba: sp 35 mm sp 25 mm Szerokość jw. dla - opcjonalnie: - - D 50 mm 12,5 mm Reflektory odniesienia: rodzaj rowki rowki rowki (opcja: otwór) typ rowka N N lub V N lub V N ilość rowków 1 (opcja: 2) 2 (1 dla D < 20 mm) 4 (2 +2) rowek zewn. tak tak tak tak (x 2) rowek wewn. nie (opcja: tak) tak dla D 20 mm tak (x 2) szerokość w 1 mm w 1 mm w 1 mm w 1,5 mm długość 25 mm głębokość maks. d 1,5 mm = 2 sp 50 mm opcjonalnie: 12,5 mm d 1,5 mm (opcja: d 3 mm dla g > 50 mm) głębokość nom. patrz tablica 2.3 głębokość min. patrz tablica 2.4 d 1,5 mm Stosowane oznaczenia: D - średnica zewnętrzna rury g - grubość ścianki rury T - fala poprzeczna sp - szerokość przetwornika głowicy N - rowek o prostokątnym przekroju poprzecznym V - rowek o trójkątnym przekroju poprzecznym (trójkąt równoboczny) w - szerokość rowka d - głębokość rowka 2 sp 50 mm d 2 mm lub d 3 mm
Tablica 2.3. Poziomy akceptacji i odpowiadające im głębokości rowków odniesienia Poziom akceptacji Głębokości rowków w % nominalnej grubości ścianki {nr części normy stanowiącej źródło danych} poprzecznych wzdłużnych wzdłużnych wzdłużnych i/lub {część 6} {część 7} {część 8} poprzecznych {część 9} U1 3 3 - - U2 5 5 5 5 U3 10 10 10 10 U4 12,5 12,5 12,5 12,5 U5 15 15 15 - U6 20 20 20 - Tablica 2.4. Minimalne głębokości rowków odniesienia poprzecznych {część 6} (podklasa A D) Minimalne głębokości rowków odniesienia {nr części normy stanowiącej źródło danych} (kryterium decydujące o ograniczeniu głębokości rowków) wzdłużnych {część 7} (podpoziom akceptacji A D) wzdłużnych {część 8} (poziom akceptacji U2 U6) wzdłużnych i/lub poprzecznych {część 9} (poziom akceptacji U2 U4) A: 0,1 mm A: 0,1 mm U2/U3: 0,3 mm U2/U3: 0,3 mm B: 0,2 mm B: 0,2 mm U4/U5/U6: 0,5 mm U4: 0,5 mm C: 0,3 mm C: 0,3 mm D: 0,5 mm D: 0,5 mm Tablica 2.5. Poziomy akceptacji i odpowiadające im średnice otworów promieniowych, stosowanych jako alternatywne reflektory odniesienia, przy wykrywaniu nieciągłości wzdłużnych i/lub poprzecznych w spoinach wykonywanych łukiem krytym, {część 9 normy} - porównaj z tablicą 2.3. Poziom akceptacji U2H U3H U4H Średnica otworu 1,6 mm 3,2 mm 4,0 mm
3. Odbicie fali ultradźwiękowej od naroża Nieciągłości powierzchniowe, które powinny zostać wykryte w czasie badania, mają postać tzw. reflektorów narożnych. Idealny reflektor narożny jest tworzony przez dwie (lub trzy) powierzchnie wzajemnie prostopadłe. Naturalne nieciągłości mogą być nachylone do powierzchni rury pod różnymi kątami, co ma oczywiście wpływ na skuteczność ich wykrywania. Jako reflektory odniesienia (patrz tablica 2.2.) stosuje się przede wszystkim rowki o przekroju prostokątnym. W przypadku małych głębokości (d 0,5 mm) dopuszcza się stosowanie rowków wzdłużnych o przekroju trójkątnym (trójkąt równoboczny), których ścianki tworzą z powierzchnią rury kąty rozwarte równe 120. Skuteczność wykrywania metodą ultradźwiękową nieciągłości materiałowych zależy między innymi od ich zdolności odbijania fali. Mechanizm odbicia fali od naroża prostokątnego przedstawiono na rysunku 3.1. a) b) c) L T β α T T T L Przypadek ogólny α + β = 90 Odbicie fali podłużnej (L) Odbicie fali poprzecznej (T) Rys. 3.1. Odbicie fali ultradźwiękowej od naroża prostokątnego Dzięki temu, że suma kątów padania i odbicia dla konkretnego typu fali wynosi dla naroża 180 (patrz rys.3.1.a), fala po odbiciu wraca w kierunku głowicy. Ta właściwość uwalnia nas od konieczności precyzyjnego doboru kąta padania wiązki fali na reflektor narożny. Kąt padania nie może być jednak dowolny. Zjawisko transformacji towarzyszące ukośnemu padaniu fali na powierzchnię odbijającą powoduje powstawanie fal innego typu niż fala padająca, co pociąga za sobą utratę części energii fali odbitej, a także stwarza niebezpieczeństwo powstawania dodatkowych ech, będących wynikiem odbijania się fal transformowanych od nieciągłości materiału - echa te utrudniają analizę wyników badania. Przy wykorzystaniu fali podłużnej (L) zjawisko transformacji (L L + T) występuje przy każdym jej ukośnym padaniu na ścianę naroża (patrz rys.3.1.b), wskutek czego czułość badania ulega znacznemu obniżeniu. Zależność współczynnika odbicia fali L od naroża w funkcji kąta padania przedstawiono na rysunku 3.2. (zgodnie z [1]). Z wykresu wynika, że ew. wykorzystanie fali L do wykrywania reflektorów narożnych ma sens wyłącznie dla zakresu kątów padania 0 10 i 80 90 - fala obija się wtedy głównie od jednej ze ścian naroża, co minimalizuje szkodliwe skutki transformacji. Norma PN-EN 10246 wyłącza falę L z wykrywania nieciągłości na powierzchniach rur.
a) 30 20 10 0 b) 30 20 10 0 α L 40 α T 40 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Rys.3.2. Współczynniki odbicia fali od naroża prostokątnego w funkcji kąta padania: dla fali podłużnej (a) i poprzecznej (b) [1] Przy ukośnym padaniu fali T kąt odbicia transformowanej fali L jest zawsze większy od kąta padania (i odbicia) fali T (patrz rys.3.1.c). Dzięki temu istnieje możliwość zablokowania transformacji (T T + L) - wystarczy, aby kąt padania fali T (α T ) na powierzchnię odbijającą był większy od kąta, przy którym kąt odbicia transformowanej fali L wynosi 90. Wartość kąta α T obliczamy ze wzoru Snelliusa (c T i c L - prędkości fal T i L w stali): sinαt c T o sin 90 = => α T = 33 c L Aby uniknąć transformacji (T T + L) i tym samym zapewnić wysoką czułość badania, należy spełnić warunek, o którym mowa wyżej, dla obu ścian naroża tj.: α T > 33 i jednocześnie (90 - α T ) > 33. Potwierdza to wykres zamieszczony na rysunku 3.2.b) - utrzymanie kąta padania w przedziale od 33 do 57 zapewnia pełne odbicie fali T od naroża prostokątnego. Wysoki współczynnik odbicia zapewniają też kąty: 0 α T 20 oraz 70 α T 90. Poza wykrywaniem nieciągłości, badanie powinno umożliwiać ocenę ich głębokości. Przydatność fali T w tym zakresie, potwierdza wykres na rysunku 3.3 [1] - jednoznaczna zależność amplitudy echa reflektora narożnego od jego głębokości pozwala oceniać wykryte nieciągłości na podstawie wysokości ich ech. Jak widać z wykresu, zastosowanie fali L nie daje (w warunkach badania jak na rys.3.3) takiej możliwości. 4. Transmisja echa przy ukośnym padaniu wiązki na powierzchnię przeszukiwania Skuteczność wykrywania metodą ultradźwiękową nieciągłości materiałowych zależy także od efektywności transmisji fali od głowicy do badanego ośrodka i z powrotem. W przypadku badania rur, fala ultradźwiękowa docierająca do powierzchni przeszukiwania wysyłana jest najczęściej z wody lub z polimetakrylanu metylu (pleksiglas). Zanim echo ultradźwiękowe trafi do głowicy odbiorczej, fala pokonuje granicę ośrodków dwukrotnie. Przetwornik głowicy generuje falę podłużną (L), która na powierzchni rury ulega
załamaniu i transformacji na falę poprzeczną (T). Po odbiciu od nieciągłości materiału badanego, fala opuszcza rurę, ponownie ulegając załamaniu i transformacji: T L w wodzie lub T L+T w pleksiglasie (przetwornik głowicy odbiera jedynie powracającą falę L). Współczynniki transmisji ciśnienia fali padającej do fal załamywanych i transformowanych na granicy ośrodków, zależą od własności fizycznych tych ośrodków i od kąta padania fali. Iloczyn współczynników charakteryzujących przejście fali tam i z powrotem nazywany jest współczynnikiem transmisji echa. Na rysunkach 4.1 i 4.2 przedstawiono współczynniki transmisji echa, w funkcji kątów padania fal L na granice ośrodków woda-stal i pleksiglas-stal [1]. Jak widać, od kąta padania zależy nie tylko sama wartość współczynnika, wpływająca na czułości badania, ale także rodzaje i kąty fal wprowadzanych do badanego materiału. Jeżeli chcemy uniknąć wprowadzania do stali fal L, to kąt padania powinien być większy od pierwszego kąta krytycznego, który wynosi: dla granicy woda-stal 14,5, dla granicy pleksiglas-stal 27,5. Pierwszemu kątowi granicznemu zawsze odpowiada konkretny kąt załamania fali T w ośrodku drugim - dla stali wynosi on 33. Kształt badanego przedmiotu zazwyczaj wiąże jednoznacznie kąty padania fal L na powierzchnię przeszukiwania z kątami padania transformowanych fal T na nieciągłości materiałowe. Optymalizacja kąta padania fali L polega więc na zapewnieniu zarówno skuteczności transmisji echa jak i efektywności odbicia fali T od poszukiwanych nieciągłości - iloczyn obu współczynników (transmisji i odbicia) decyduje ostatecznie o czułości badania. Głębokość reflektora narożnego (t) Rys.3.3. Zależności amplitud ech reflektora narożnego od jego głębokości (t). Poziomy amplitud wyrażono w db, w odniesieniu do poziomu echa otworu poprzecznego o średnicy Ф 2, leżącego w tej samej odległości od głowicy. Porównania dokonano niezależnie dla fal L (long.) i T (trans.) [1]
Kąty padania fali L (α ) na powierzchnię przeszukiwania: - skala górna dla współczynnika transmisji echa fali poprzecznej (LT) - skala dolna dla współczynnika transmisji echa fali podłużnej (LL) Kąty załamania w stali dla fal L i T: Rys.4.1. Współczynniki transmisji echa przez granicę woda-stal: E ll - dla fal podłużnych i E lt - dla fal poprzecznych [1] skala kąta padania fali L (pleksiglas) skala kąta załamania fali T (stal) Rys.4.2. Współczynnik transmisji echa fali T przez granicę pleksiglas-stal [1]
5. Droga fali w ściance rury. 5.1. Fala wprowadzana w kierunku wzdłużnym - wykrywanie nieciągłości poprzecznych Wiązka fali T, przeznaczona do wykrywania nieciągłości poprzecznych na obu powierzchniach ścianki rury, jest wprowadzana w płaszczyźnie osiowej. Najczęściej stosowany kąt załamania fali T wynosi 45. Wiązka fali odbija się na przemian od powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej, zachowując się podobnie jak w płaskiej płycie równoległościennej - wszystkie kolejne kąty padania/odbicia są sobie równe. Istotna różnica wynika ze zmiany geometrii wiązki przy każdym jej kontakcie z powierzchnią cylindryczną - przy wprowadzaniu wiązki przez powierzchnię zewnętrzną i przy każdym odbiciu od powierzchni wewnętrznej kąt rozbieżności wiązki w kierunku obwodowym rośnie, a przy odbiciach od powierzchni zewnętrznej maleje. Efekt rozpraszający przeważa w stopniu tym większym, im większy jest stosunek g/d (g - grubość ścianki, D - średnica zewnętrzna rury). 45 45 45 45 45 Rys.5.1. Typowy, zygzakowaty tor wiązki fali wprowadzanej do ścianki rury w kierunku wzdłużnym pod kątem 45. Przy małych grubościach ścianek stosowane są czasem większe kąty załamania np. 70, ułatwiające rozróżnienie ech nieciągłości zewnętrznych i wewnętrznych (większe różnice w drodze fal). W takim przypadku należy się liczyć z możliwością propagacji fali powierzchniowej przez krawędź wiązki wprowadzanej fali - patrz rys.5.2.a) [1]. Można się przed tym zabezpieczyć stosując głowicę o małym kącie rozbieżności (np. jak na rys. 5.2.b). a) b) Rys.5.2. [1] a) fala powierzchniowa jako efekt transformacji krawędzi wiązki fali padającej na powierzchnię cylindryczną, b) konstrukcja głowicy mozaikowej, dopasowanej do krzywizny powierzchni 5.2. Fala wprowadzana w kierunku obwodowym - wykrywanie nieciągłości wzdłużnych Wiązka fali T, przeznaczona do wykrywania nieciągłości wzdłużnych na obu powierzchniach ścianki, jest wprowadzana w płaszczyźnie prostopadłej do osi rury. Wiązka porusza się po torze zygzakowatym. Analogicznie jw., każdy kontakt wiązki z powierzchnią rury wywołuje zmianę kąta rozbieżności - kąt zmienia się w płaszczyźnie prostopadłej do osi rury, co zmienia użyteczny zakres kątów, pod którymi różne fragmenty wiązki mogą trafiać w poszukiwane nieciągłości. Podobnie jw., przeważa mechanizm zwiększający kąt rozbieżności. Bardzo istotną cechą toru wiązki, wynikającą z kształtu przekroju poprzecznego rury, jest zróżnicowanie kątów padania/odbicia dla powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej - patrz rys.5.3. Kąty padania wiązki fali T na powierzchnię zewnętrzną (α TZ) są równe kątowi załamania fali wprowadzanej do materiału rury w punkcie 1 (α 2T), natomiast kąty padania na
powierzchnię wewnętrzną (α TW) są większe o kąt ε zawarty między promieniami wodzącymi kolejnych punktów odbicia wiązki od powierzchni rury. Różnica między kątami padania α TZ i α TW jest tym większa, im większy jest kąt załamania α 2T i im większy jest stosunek grubości ścianki rury (g) do średnicy zewnętrznej (D). 1 α 2T α TW 2 β TW α TZ β TZ 3 α TW = 180 - (180 - α 2T - ε) α TW = α 2T + ε α 2T = α TZ α TW = α TZ + ε ε ε ε D/2 g O Rys.5.3. Tor wiązki fali ultradźwiękowej w ściance rury (fala wprowadzana w kierunku obwodowym) Stosując do trójkąta O-1-2 twierdzenie o równości stosunków sinusów kątów w trójkącie do długości boków leżących na przeciw tych kątów, możemy stwierdzić, że: sinα 2 T D / 2 g = o sin(180 α D / 2 TW ) wstawiając: sin(180 - α TW) = sin α TW możemy przekształcić powyższą zależność do postaci: sinα 2 sinα T TW D / 2 g D / 2 sinα sinα TZ = i ostatecznie: = (1 - ) g D 1 2 TW Jak ustaliliśmy w rozdz. 3. optymalne warunki dla odbicia fali T od reflektora narożnego występują przy kątach padania zawartych w przedziale od 33 do 57. Wstawiając te wartości do powyższego równania otrzymujemy warunek na maksymalną grubość ścianki
rury, w zakładanych warunkach badania: g max = 0,175 D lub D/gmax = 5,7. Dopuszczając zwiększenie kąta padania α TW do wartości 90 (co odpowiada sytuacji, w której oś wiązki jest styczna do powierzchni wewnętrznej rury), otrzymujemy: D/g max = 4,4. Dla większych grubości ścianek oś wiązki mija się z powierzchnią wewnętrzną, co istotnie ogranicza czułość wykrywania nieciągłości na tej powierzchni. Część 7 PN-EN 10246, dotycząca wykrywania wad wzdłużnych na całym obwodzie rury, zaleca badanie wg podstawowych wymagań dotyczących kalibracji aparatury w zakresie do D/gmax 5. Norma dopuszcza także badanie dla mniejszych wartości D/gmax (do wartości równej 4 włącznie), zakładając mniejszą czułość wykrywania nieciągłości na powierzchni wewnętrznej - np. dla D/g max = 4, zaleca się stosowanie wewnętrznego rowka odniesienia o głębokości 2,5 razy większej niż głębokość nominalna. 6. Techniki badania Charakterystyka ogólna W badaniach automatycznych rur stalowych stosuje się przede wszystkim różne odmiany techniki zanurzeniowej oraz technikę kontaktową. Badanie jest realizowane impulsową metodą echa. Do kontroli sprzężenia wykorzystuje się impulsy przejścia między głowicami kątowymi (o ile wzajemne położenia głowic na to pozwalają) oraz impulsy ech dna. Przy badaniu rur bez szwu oraz przy wykrywaniu rozwarstwień na całym obwodzie w rurach spawanych stosuje się przeszukiwanie ruchem spiralnym. Przy badaniu spoin i obszarów przyległych do spoiny przeszukiwanie odbywa się wzdłuż spoiny. Stosowane są głowice normalne fal podłużnych pojedyncze i podwójne oraz głowice kątowe fal poprzecznych pojedyncze i przeciwbieżne. W celu zwiększenia wydajności badania stosuje się ww. głowice pracujące w zespołach oraz specjalne głowice wieloprzetwornikowe. Osobną kategorię stanowią systemy głowic mozaikowych, współpracujące z aparaturą defektoskopową wyposażoną w setki kanałów kontrolnych, realizujące funkcje wszystkich wcześniej wymienionych głowic. Techniki zanurzeniowe Techniki zanurzeniowe są często stosowane w badaniach automatycznych rur ze względu na ułatwione wprowadzanie fal ultradźwiękowych przez cylindryczne powierzchnie rur o różnych średnicach, możliwość płynnej zmiany kąta padania fali na powierzchnię przeszukiwania oraz możliwość ogniskowania fali padającej. Nie bez znaczenia jest też mała wrażliwość takich systemów na nierówności powierzchni i nieregularności kształtu rur. Klasyczna technika zanurzeniowa, polegająca na zanurzeniu w wodzie całej rury i głowic ultradźwiękowych stosowana jest rzadko. Wykorzystywane są natomiast: bębny przelotowe wypełniane wodą, odpowiednio uszczelnione, zawierające komplety głowic wirujące wokół transportowanych wzdłużnie rur, lokalne wanny przesuwane po powierzchniach rur, związane z poszczególnymi głowicami lub zespołami głowic głowice sprzęgane z rurą przez indywidualne słupy wody. Zespoły głowic wirujących, instalowane w bębnach przelotowych, zawierają najczęściej 3 typy pojedynczych głowic fal podłużnych: a) głowice przeznaczone do wykrywania nieciągłości poprzecznych, konstruowane lub mocowane w sposób zapewniający niezmienny kąt padania fali na powierzchnię rury
wynoszący 17 19 (w materiale rury odpowiada mu kąt załamania fali T równy odpowiednio: 40 45 ) b) głowice przeznaczone do wykrywania nieciągłości wzdłużnych, mocowane w sposób umożliwiający regulowanie kąta padania fali na powierzchnię rury (patrz rys.6.1.) c) głowice przeznaczone do wykrywania rozwarstwień i ew. do pomiarów grubości ścianki, mocowane w sposób zapewniający prostopadłe padanie fali na powierzchnię rury. Wszystkie ww. głowice są mocowane w sposób zapewniający możliwość ich przemieszania w kierunku promieniowym rury, w celu dostosowania ich położenia do średnicy rury. W rozwiązaniach uproszczonych głowice są mocowane na stałe (możliwy jest jedynie obrót ww. głowic b) w wymiennych pierścieniach o różnych średnicach, stosowanych do badania rur o z góry określonych zakresach wymiarowych. a) b) c) Rys.6.1. Przykłady sposobów regulacji kąta padania w technice zanurzeniowej. Przemieszczenia głowic w kierunku pionowym służą dostosowaniu pozycji głowic do średnicy rury, a w przypadku c) powodują dodatkowo zmiany kąta padania. Przy badaniu rur cienkościennych stosowane są głowice skupiające o ogniskowych w wodzie wynoszących 30 60 mm. Konieczny jest w takim przypadku precyzyjny dobór pozycji głowic, uwzględniający optymalną odległość od głowicy do powierzchni rury mierzoną wzdłuż osi wiązki. W lokalnych wannach możliwe jest mocowanie wszystkich ww. głowic (a-c). Głowice sprzężone z indywidualnymi słupami wody to wyłącznie głowice typu c). W każdym systemie muszą się znaleźć, co najmniej po dwie ww. głowice typu a) i b) skierowane w przeciwnych kierunkach, aby zapewnić lepszą wykrywalność nieciągłości nachylonych skośnie do powierzchni. Techniki kontaktowe Stosowanie do badania rur techniki kontaktowej, wymaga wyposażenia głowic w nakładki dopasowujące ich powierzchnie robocze do krzywizny powierzchni rury. Nakładki muszą być wymieniane przy każdej zmianie średnicy zewnętrznej rur. Stosowanie sztywnych nakładek zwiększa wymagania dotyczące jakości powierzchni i regularności kształtu rury - nieprawidłowa jakość lub krzywizna powierzchni mogą uniemożliwić badanie. Z badania techniką kontaktową wyłączone są praktycznie wszystkie rury spawane i zgrzewane, jeżeli jest wymagane badanie całego obwodu nawet, jeżeli nadlew czy wypływka są usuwane przed badaniem.
Stosowane tu są następujące typy głowic: a) głowice kątowe fal T o kącie załamania w stali 45 (pojedyncze lub przeciwbieżne), przeznaczone do wykrywania nieciągłości poprzecznych b) głowice kątowe fal T przeznaczone do wykrywania nieciągłości wzdłużnych w materiale rury: pojedyncze o kątach załamania 40 45 oraz przeciwbieżne o kątach 24 40 (dla głowic przeciwbieżnych podaje się kąt załamania bez nakładki dopasowującej - przy przejściu przez nakładkę kąt padania ulega zwiększeniu, zależnie od średnicy rury) c) pojedyncze głowice kątowe fal T o większych kątach załamania np. 70, przeznaczone do wykrywania nieciągłości wzdłużnych w spoinach rur o cienkościennych d) głowice normalne, podwójne fal podłużnych, przeznaczone do wykrywania rozwarstwień e) głowice normalne fal podłużnych, pojedyncze i podwójne, przeznaczone do pomiaru grubości ścianki (ew. mogą także służyć do wykrywania rozwarstwień) 7. Uwagi końcowe Poświęcenie niniejszego wykładu głównie uwarunkowaniom technologicznym i wymaganiom formalnym, zostało podyktowane koniecznością zasygnalizowania złożoności problemu ultradźwiękowego badania rur stalowych. Producenci rur instalują coraz bardziej złożone systemy kontroli, umożliwiające zmiany warunków badania w szerokim zakresie. Dotyczy to zwłaszcza systemów wykorzystujących techniki zanurzeniowe, w których powodzenie badania zależy przede wszystkim od starannej kalibracji i optymalnego doboru warunków pracy urządzeń defektoskopowych przez operatora. Konieczne jest nie tylko przestrzeganie instrukcji obsługi urządzeń i zaleceń normatywnych, ale także świadome uwzględnianie możliwości i ograniczeń wynikających z podstaw fizycznych technologii badania. Podziękowania Autor dziękuje kolegom: Rochowi Liborowi (pracownikowi firmy: Laboratoria Badań Batory w Chorzowie) oraz Józefowi Plewni (pracownikowi Huty Ferrum S.A. w Katowicach) za udzielone informacje, pomocne w przygotowaniu niniejszego opracowania. Literatura [1]. Kraukrämer J., Kraukrämer H., Ultrasonic Testing of Materials, Springer-Verlag Heidelberg 1990. [2]. Deputat J., Badania ultradźwiękowe. Podstawy. Materiały szkoleniowe, Instytut Metalurgii Żelaza Gliwice 1979. [3]. PN-EN 10246 - Badania nieniszczące rur stalowych, części: 6 9 i 13 17, Polski Komitet Normalizacyjny Warszawa 2001 2006. Berlin