CC BY
25
УДК 53.087:620.19
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ КОНТРОЛЕ ЛИТЫХ
КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
© 2018 М.Н. Давыдов1, К.О. Беляева2, Ю.С. Ткаченко1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Общество с ограниченной ответственностью «Центр неразрушающего контроля», г. Воронеж,
Россия
Аннотация: в данной статье рассмотрен метод определения фронтальных и реальных размеров образов дефектов при ультразвуковом контроле корпусов магистральных нефтяных насосов из стали марки 20ГЛ с применением дефектоскопа с цифро-фокусированными антенными решетками. Описаны факторы, которые усложняют и в некоторых случаях делают невозможным классический ультразвуковой контроль одноэлементным преобразователем узлов деталей рассматриваемого типа. Представлено применяемое оборудование, строение антенной решетки, принцип работы и его настройка по стандартному образцу предприятия. Найдены максимально допустимые фронтальные размеры образов дефектов. Рассмотрена зависимость фронтальных размеров образов дефектов от глубины их залегания в изделии. По полученным данным построен график зависимости фронтального размера образа от глубины залегания. С помощью этого графика возможно определить максимально допустимые размеры образов дефектов для промежуточной глубины, исключая расчеты. Проведена апробация исследований, описан самый распространенный дефект в рассматриваемом изделии - «рыхлота», его визуальный образ при ультразвуковом контроле с применением цифро-фокусированных антенных решеток. Выведена формула определения размеров дефектов при контроле литых корпусов магистральных нефтяных насосов, изготовленных из стали марки 20ГЛ
Ключевые слова: литые детали, корпусные детали, неразрушающий контроль, ультразвуковой контроль, антенная решетка
Введение
Ультразвуковой контроль (УЗК) литых корпусных деталей является одним из наиболее сложных по причине нескольких факторов:
- сложная форма, разность толщин и кривизна поверхности,
- трудности в определении размеров и ориентации дефектов в изделии,
- затухание ультразвуковых волн из-за крупнозернистой структуры материала.
К таким объектам контроля относится литой корпус магистрального нефтяного насоса (МНН), при УЗК которого приходится сталкиваться со многими
вышеперечисленными факторами [1]. Применение ультразвуковых дефектоскопов с цифро-фокусированными антенными
решетками (ЦФАР), по сравнению с классическими дефектоскопами, позволяет:
- визуализировать внутреннюю структуру изделия, представив его в виде изображения сечения,
- осуществлять контроль труднодоступных мест,
- изменять рабочую частоту, решив проблему затухания ультразвуковых волн.
Целью работы является демонстрация возможностей УЗК с применением ЦФАР,
определение допустимых фронтальных и реальных размеров дефектов при контроле литой корпусной детали из стали марки 20ГЛ.
Оборудование и объект контроля
Объектом контроля является литой корпус нефтяного насоса (рис. 1), изготовленный из стали марки 20ГЛ, с номинальной толщиной стенки - 50 мм, в некоторых местах достигающей 100 мм. Контроль на участках 1Л, 2Л, 3Л возможно провести только многоэлементным датчиком по причине недостаточной зоны контроля для установки одноэлементного пьезоэлектрического
преобразователя (ПЭП). Этот факт не позволяет провести контроль на всю толщину на данных участках.
о ил 0
\ ° А ° у Участок 1/1 / Участок 3/!
■
1 -1 I 1 --
—1-Р—
Рис. 1. Литой корпус МНН
Для проведения испытаний был выбран ультразвуковой дефектоскоп-томограф А1550 ШхоУ^ог (рис. 2), выпускаемый ООО «АКС» (г. Москва). Его технические характеристики позволяют выполнить поставленную задачу [2].
Рис. 2. Ультразвуковой дефектоскоп А1550 1п1хоУ180г
В состав прибора входит электрический блок и антенная решетка (АР), которая представляет собой набор однотипных пьезоэлементов, расположенных вдоль одной линии на протекторе (рис. 3) [3].
Рис. 3. Конструкция АР
Настройка производится по стандартному образцу предприятия (СОП) (рис. 4), изготовленному из материала того же структурного класса, что и объект контроля. Это исключает разницу в скорости и затухании ультразвуковой волны.
Рис. 4. Стандартный образец предприятия (СОП)
В СОП с двух сторон имеются отверстия -контрольные отражатели (КО): 5 отверстий диаметром 6.2 мм, 3 отверстия диаметром 5.0 мм, их размер соответствует максимально допустимому размеру дефекта в соответствии с нормативно-технической документацией (НТД) на контролируемое изделие.
Исследование и настройка оборудования
Для калибровки и настройки дефектоскопа необходимо получить образы от всех КО [4]. В соответствии с НТД на данный объект контроля, размер максимально допустимого дефекта, для глубины до 100 мм, равняется 6.2 мм, поэтому настройка производится по КО диаметром 6.2 мм.
Установив АР в положение (1) (рис. 5), на экране получаем изображение (рис. 6). Отчетливо наблюдаются образы от КО 1 и КО 2, расположенные на глубине 10 и 25 мм.
Рис. 5. Положения АР на СОП во время настройки
Рис. 6. АР установлена в положение (1)
Линейно перемещая АР, как показано на рисунке 5, в положения (2), (3), (4), (5), получаем сигналы от КО 2, КО 3, КО 4 и КО 5, глубины которых: 25, 50, 75 и 100 мм. С помощью встроенных функций дефектоскопа производится измерение фронтальных размеров образов, полученных от КО (рис. 6, 7, 8, 9) [4].
Образ КО 1 расположен на глубине 10 мм, его фронтальная протяженность равняется D=5.8 мм (рис. 7).
Рис. 7. Образ КО 1
Установив АР в положение (2), получаем образ КО 2, фронтальная протяженность которого равняется D=6.4 мм (рис. 8).
Рис. 8. Образ КО 2
Фронтальная протяженность образа КО 3 на глубине 50 мм: D=11.0 мм (рис. 9).
Рис. 9. Образ КО 3
Фронтальная протяженность образа КО 4 на глубине 75 мм: D=18.9 мм (рис. 10).
Рис. 10. Образ КО 4
Фронтальная протяженность образа КО 5 на глубине 100 мм: D=22.2 мм (рис. 11).
Рис. 11. Образ КО 5
Таким образом, найдены максимально допустимые фронтальные размеры
несплошностей Б для различной глубины залегания:
Б1=5.8 мм на глубине 21=10 мм;
Б2=6.4 мм на глубине 22=20 мм;
Бз=11.0 мм на глубине 23=50 мм;
Б4=18.9 мм на глубине 24=15 мм;
Б5=22.2 мм на глубине 25=100 мм.
В результате установлена зависимость фронтального размера образа КО от глубины его залегания. Дальнейший контроль производится с учетом проведенных измерений, то есть, обнаружив дефект на глубине 100 мм, его допустимая фронтальная протяженность равна 22.2 мм на экране дефектоскопа, что эквивалентно 6.2 мм на СОП.
Чтобы вычислить значения допустимых фронтальных размеров несплошностей для промежуточных глубин 2, необходимо линейно аппроксимировать размер Б [4].
Например, обнаружив несплошность с фронтальной протяженностью Бх= 15 мм на глубине 2х= 60 мм, которая попадает в интервал между 2з и 24, вычисляем Бтах для глубины 2х= 60 мм по формуле:
(п4-п3)*(гх-г3)
О-тпг — +
(1)
)
(18.9 - 11) * (60 - 50)
— 11 +-(75-50)-— 16.3 ММ.
Выясняем, что данная несплошность Бх= 15 мм по фронтальной протяженности является допустимой, так как не превышает значения максимально допустимой
фронтальной протяженности Бтах для глубины 2х= 60 мм.
По полученным данным построим график зависимости фронтального размера от
глубины залегания (рис. 12), с помощью которого можно без расчетов определять значения фронтальных размеров для промежуточных глубин.
Ъ Ъ 50 Ъ
Рис. 12. График зависимости фронтального размера от глубины
Апробация исследований
Одним из самых распространенных дефектов в рассматриваемом изделии является «рыхлота» - дефект отливки в виде скопления мелких усадочных раковин [5]. Признаком данного дефекта является то, что образ дефекта состоит из цепочки мелких образов.
На рис. 13 изображен визуальный образ дефекта типа «рыхлота», фронтальная протяженность которого равняется Бх=23.1 мм, центр несплошности находится на глубине 2=50 мм. Для данной глубины максимально допустимый размер фронтальной
протяженности Бтах= 11 мм, следовательно, выявленная несплошность недопустима.
Скорость 3251 м/с
л
Брак. урай4Нк< вы от| | ТсуЧЦИН
Рис. 13. Визуальный образ дефекта типа «рыхлота» на экране дефектоскопа
Для нахождения реального размера несплошности выведена формула (2):
дефекта от глубины его залегания в изделии. Сопоставив размер, полученный путем измерения, и реальный размер контрольного отражателя, мы имеем допустимые фронтальные размеры при контроле литых корпусов МНН из стали 20ГЛ с применением ЦФАР.
Составив график зависимости
фронтального размера образа от глубины его залегания, упрощается и ускоряется поиск значения допустимого размера для промежуточных глубин. Из полученных данных при помощи формулы (2) можно выяснить реальные размеры залегающих в изделии дефектов при контроле литых корпусов МНН из стали 20ГЛ.
Литература
1. Давыдов М.Н., Ткаченко Ю.С. Особенности выявления различно-ориентированных в пространстве дефектов ультразвуковым методом, с применением антенных решеток // Авиаперспектива: регион. сб. науч. тр. Воронеж, 2017. Вып. 1. С. 148-157.
2. ООО «АКС» Дефектоскоп ультразвуковой А1550 1п1тоУ180г. Руководство по эксплуатации. М. 2015. 88 с.
3. Заглянуть в металл. Теперь это просто / В.Г. Шевалдыкин, С.Г. Алехин, А.В. Бишко, А.В. Дурейко, А.А. Клементьев, Н.Ю. Соколов, А.А. Самокрутов // В мире неразрушающего контроля. 2008. № 1 (39). С. 46-53.
4. ООО «АКС-Сервис» Методические указания по применению ультразвукового дефектоскопа А1550 1п1тоУ180г с цифро-фокусированными антенными решетками в режиме ТОМОГРАФ. М. 2014. 82 с.
5. ГОСТ 19200-80 Отливки из чугуна и стали. Термины и определения дефектов. 1989. 15 с.
Поступила 05.02.2018; принята к публикации 23.03.2018 Информация об авторах
Давыдов Максим Николаевич - магистрант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0586-5244 Беляева Ксения Олеговна - инженер по неразрушающему контролю, ООО «ЦНК» (394019, Россия, г. Воронеж, Газовая, 2А), e-mail: [email protected]
Ткаченко Юрий Сергеевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
DETERMING SIZES OF DEFECTS AT ULTRASONIC INSPECTION OF THE CASTING
DETAILS
M.N. Davydov1, K.O. Belyaeva2, Y.S. Tkachenko1
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2LLS «Center for Non-Destructive Testing», Voronezh, Russia
D=^*DX , (2)
umax
6.2
D =-* 23.7 « 13.36 мм.
11.0
На рис. 14 представлен фрагмент литого корпуса МНН из стали 20 ГЛ с залегающим в нем дефекте типа «рыхлота».
Рис. 14. Фрагмент литого корпуса МНН (х5)
Стоит обратить внимание, что образ дефекта, полученный на экране дефектоскопа, почти не отличается от того, как он выглядит в действительности.
Выводы
Использование дефектоскопа с ЦФАР при УЗК литых корпусных деталей дает возможность наглядно и достаточно достоверно судить о качестве изделия.
При настройке прибора наблюдается зависимость фронтального размера образа
Abstract: in this paper, a method for determining the front and real dimensions of the defect images during ultrasonic inspection of the main oil pump casings from 20GL steel with the use of a defectoscope with digital-focused antenna arrays is considered. The factors are described that complicate and, in some cases, make impossible to use classical ultrasonic testing by a single-element converter of parts of the type in question. The applied equipment, the structure of the antenna array, the principle of operation and its adjustment according to the standard model of the enterprise are presented. The maximum allowable frontal dimensions of the defect images are found. The dependence of the frontal dimensions of the defect images on the depth of their occurrence in the article is considered. According to the obtained data, a graph of the dependence of the frontal size of the image on the depth of occurrence is constructed. With the help of this graph it is possible to determine the maximum permissible sizes of defect images for intermediate depth, excluding calculations. Approbation of the studies was carried out, the most common defect in the product under consideration is "looseness", its visual image with ultrasound control using digital-focused antenna arrays. A formula was derived for determining the dimensions of defects, for the inspection of cast shells of main oil pumps made of steel grade 20GL
Key words: castings, basic parts, non-destructive testing, ultrasonic inspection, antenna array
References
1. Davydov M.N., Tkachenko Y.S. "Features of detecting variously-oriented defects in space by ultrasonic inspection, using antenna arrays", Air perspective ("Aviaperspektiva"), Voronezh, 2017, pp. 148-157.
2. LLS «ACS» Ultrasonic Flaw Detector A1550 IntroVisor. Manual ("Defektoskop ul'trazvukovoy A1550 IntroVisor. Rukovodstvo po ekspluatatsii"), Moscow, 2015, 88 p.
3. Shevaldykin V.G., Alehin S.G., Bishko A.V., Dureyko A.V., Klement'ev A.A., Sokolov N.Yu., Samokrutov A.A. "To look into the Metal. It's easy" ("Zaglyanut' v metall. Teper' eto prosto"), In the world of non-destructive control (V mire nerazrushaeshchego kontrolya), 2008, no. 1 (39), pp. 46-53.
4. LLS «ACS-Service» Methodical instructions for the use of the A1550 IntroVisor ultrasonic flaw detector with digitally focused antenna arrays in the TOMOGRAPH mode ("Metodicheskie ukazaniya po primeneniyu ul'trazvukovogo defektoskopa A1550 IntroVisor s tsifro-fokusirovannymi antennymi reshetkami v rezhime TOMOGRAF"), Moscow, 2014, 82 p.
5. GOST 19200-80 "Castings of cast iron and steel. Terms and definitions of defects" ("Otlivki iz chuguna i stali. Terminy i opredeleniya defektov"), 1989, 15 p.
Submitted 05.02.2018; revised 23.03.2018 Information about the authors
Maxim N. Davydov, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospect, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0586-5244
Kseniya O. Belyaeva, Engineer, LLS «Center for Non-Destructive Testing» (2A Gazovaya, Voronezh, 394019, Russia), e-mail: [email protected]
Yuriy S. Tkachenko, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospect, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected]
