ULTRAZVO ČNA PREISKAVA ZVAROV IN VREDNOTENJE NAPAK … · 2017. 11. 27. · »ultrazvo čni reflektoskop«. Ta na splošno velja kot prva prakti čno komercialna ultrazvo čna naprava

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Gregor PERNER

ULTRAZVOČNA PREISKAVA ZVAROV IN

VREDNOTENJE NAPAK NA PAROVODU SVEŽE

PARE

Diplomsko delo

visokošolskega strokovnega študijskega programa Strojništvo

Maribor, November 2011

ULTRAZVOČ

VREDNOTENJE NAPAK NA PARO

Študent:

Študijski program:

Smer:

Mentor:

Fakulteta za strojništvo

ULTRAZVOČNA PREISKAVA ZVA

VREDNOTENJE NAPAK NA PARO VODU SVEŽE

PARE

Diplomsko delo

Gregor PERNER

Visokošolski strokovni; Strojništvo

Vzdrževanje

izr. prof. dr. Vladimir GLIHA

Maribor, november 2011


NA PREISKAVA ZVA ROV IN

VODU SVEŽE

Visokošolski strokovni; Strojništvo

-I-

I Z J A V A

Podpisani, Gregor PERNER, izjavljam, da:

• je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof. dr.

Vladimirja GLIHE;

• predloženo diplomsko delo v celoti ali delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze

v Mariboru.

Maribor, Podpis: ___________________________

-II-

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr.

Vladimirju GLIHI za pomoč in vodenje pri

opravljanju diplomskega dela.

Zahvala gre tudi podjetju Q

TECHNA d.o.o., ki mi je omogočilo

ustrezne pogoje in svetovanja pri

opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so

mi omogočili študij.

-III-

ULTRAZVOČNA PREISKAVA ZVAROV IN VREDNOTENJE

NAPAK NA PAROVODU SVEŽE PARE

Klju čne besede: neporušitvene preiskave, ultrazvočna kontrola

UDK: 621.791.053:620.179.2(043.2)

POVZETEK:

Namen diplomske naloge je predstaviti ultrazvočno kontrolo zvarov na parovodu sveže pare v

termoelektrarni – toplarni.

Diplomsko delo je nastalo z namenom natančno prikazati celoten postopek izvršitve

kontrole zvarov. Ultrazvočna preiskava je potekala z uporabo impulzno – eho tehnike in v

skladu s krovnim standardom SIST EN 1712, kateri je služil kot kriterij sprejemljivosti.

Industrijska ultrazvočna kontrola je zelo razširjena ter izrednega pomena na sistemih

vzdrževanja, saj bistveno zmanjša stroške popravila.

Z ultrazvočno kontrolo smo ovrednotili, ocenili in analizirali rezultate, ki smo jih dobili

pri preiskavi.

-IV-

ULTRASONIC EXAMINATION OF WELDS AND

EVALUATION OF DEFECTS ON A FRESH STEAM PIPELINE

Key words: Non-destructive Testing, Ultrasonic Testing

UDK: 621.791.053:620.179.2(043.2)

ABSTRACT

The objective of the thesis is to present the ultrasonic control of welds on a fresh steam

pipeline in a thermal power plant- heating plant.

The purpose of the diploma thesis is to present precisely the whole process of the welds

control. Ultrasonic examination was made using the pulse-echo technique in accordance with

the master standard SIST EN 1712, which serves as a criterion of acceptability. Industrial

ultrasonic control is widespread and of utmost importance for the maintenance systems due to

the fact that it significantly reduces the costs of maintenance.

With the use of the ultrasonic examination the results obtained during the examination

were evaluated, assessed and analyzed.

-V-

KAZALO VSEBINE

1. UVOD……………………………………………………………………… 1

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela…………………………………………1

1.2 Opredelitev teme diplomskega dela………………………………………………... 1

1.3 Struktura diplomskega dela………………………………………………………… 2

2. PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE………….. 3

3. OPIS ULTRAZVOČNIH PRESKUŠANJ………………………………. 5

3.1 Neporušitvene preiskave (NDE – NDT)…………………………………………… 5

3.2 Fizikalne lastnosti ultrazvočnih valovanj…………………………………………... 6

3.3 Tehnike ultrazvočne kontrole……………………………………………………... 20

3.4 Ultrazvočne sonde………………………………………………………………… 22

3.5 Zvarni spoji………………………………………………………………………...27

3.6 Konstruiranje DAC krivulje in AVG diagrama……………………………………30

4. PRAKTIČNA IZVEDBA ULTRAZVO ČNE PREISKAVE…………… 35

4.1 Kalibracija oddaljenosti…………………………………………………………… 37

4.2 Kalibracija občutljivosti…………………………………………………………... 46

4.3 Izvedba ultrazvočne kontrole……………………………………………………... 50

5. Rezultati ultrazvo čne kontrole………………………………………. 57

5.1 Vrednotenje zaznanih nepravilnosti………………………………………………. 57

6. Zaklju ček…………………………………………………………………64

7. Seznam uporabljenih virov…………………………………………...64

8. Življenjepis……………………………………………………………… 65

9. Priloge…………………………………………………………………… 66

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1. UVOD

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela

Z uporabo neporušitvenih metod (NDT ali NDE) določamo kvaliteto zvarjenih spojev in

njihovo sprejemljivost v skladu z normami in predpisi, ki določajo nivo in vrsto dopustnih

napak v zvarnih spojih. Pomembno je, da z uporabo NDE metod lahko diagnosticiramo samo

napake, ki so nastale zaradi varjenja in je krivec zanje varilec, varilni stroj ali nepravilen

postopek varjenja. V tem diplomskem delu je prikazan postopek ultrazvočne preiskave ter

vrednotenje napak, ki nastanejo iz raznih vzrokov.

Med najbolj razširjenimi metodami je ultrazvok, kjer se uporablja zvočno valovanje s

frekvencami med 0,5 MHz in 25 MHz. Ultrazvočni pulz izvira iz ultrazvočne sonde, se

prenese na preizkušanec in se po njem širi, pri čemer se odbija na mejnih površinah, kot so

površine preizkušanca ali nepravilnosti v njem. Od napake odbito ultrazvočno valovanje na

ustrezen način zabeležimo in ga primerno ovrednotimo.

1.2 Opredelitev teme diplomskega dela

V diplomskem delu je prikazano izvedbeno vrednotenje napak ultrazvočne kontrole parovoda

v termoelektrarni – toplarni Ljubljana (TE – TOL). Podjetje TE – TOL d.o.o. oskrbuje več kot

90 odstotkov potreb po ogrevni toploti v sistemu daljinskega ogrevanja Ljubljane, kar

predstavlja približno 50 odstotkov potreb po toplotni energiji v sistemu daljinskega ogrevanja

v Sloveniji. Za tehnološki proces od leta 2002 naprej uporabljajo izključno indonezijski

premog, ki je zaradi svojih tehnoloških lastnosti oziroma kakovosti glede na zakonske

okoljske zahteve edini primeren za kurjenje.

Pregled parovoda je izvajalo podjetje Q-Techna, inštitut za zagotavljanje in kontrolo

kakovosti d.o.o., ki je potekal po standardu SIST EN 1712/level 2. Standard bom podrobneje

opisal v nadaljevanju, kakor tudi mejno vrednost ocenjevanja zvarov po standardu SIST EN

5817/B.


-2-

1.3 Struktura diplomskega dela

Uvod diplomskega dela ponazarja kratek zgodovinski pregled ultrazvočnih preiskav vse do

danes. V nadaljevanju sledi opis in pregled neporušitvenih metod, fizikalne lastnosti valovanj,

tehnike ultrazvočne kontrole, opis ultrazvočnih sond. Nekaj strani je posvečeno tudi zvarnim

spojem ter kreiranju DAC krivulje in AVG diagrama, s katerim se poglavje 3 zaključi.

V 4. poglavju sledi praktična izvedba ultrazvočne kontrole, kjer je zajeta kalibracija

oddaljenosti in občutljivosti, in na koncu sama izvedba pregleda parovoda sveže pare.

Prikazan je tudi celoviti slikovni material tako same teorije kakor tudi prakse. Začetek temelji

predvsem na ključnih odstavkih standarda SIST EN 1712, kateri je služil kot kriterij

sprejemljivosti.

V 5. poglavju so zajeti podatki oziroma rezultati same kontrole. Opisane so napake,

katere so se pojavljale tekom preiskave, ter seveda slikovni in tabelarični prikaz.


-3-

2. PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE

Prvi resni poizkusi ustvariti ultrazvok segajo v prvo polovico prejšnjega stoletja, ko je F.

Savart s pomočjo zobatega kolesa generiral frekvenco zvoka nad 20 KHz. Za

najpomembnejše odkritje na tem področju gre zahvala bratoma Currie. Leta 1880 sta odkrila

piezoelektrični pojav, ki je temelj vseh piezoelektričnih pretvornikov. Pomembno prelomnico

pri nadaljnjem razvoju predstavljajo raziskave, ki sta jih opravljala pariški profesor P.

Langevin in ruski elektroinženir M. K. Chilovsky. Skupaj sta razvijala sistem za odkrivanje

podmornic, kar je bil nekakšen predhodnik sodobnih sonarjev. V 20. in 30. letih prejšnjega

stoletja so postavili temelje uporabe ultrazvoka pri preiskavi kovinskih materialov, razmah

novih materialov v 40. in 50. letih pa je postregel s kopico novih materialov za

piezoelektrične pretvornike.

Ultrazvočni instrumenti so v industriji v uporabi že več kot šestdeset let. Od leta 1940

so povsem znane fizikalne osnove, ustvarjanje prenosa in širjenja ultrazvočnih valov ter način

njihove detekcije, kar je orodje za odkrivanje skritih razpok, praznin, poroznosti in drugih

notranjih nepravilnosti v kovinah. Ultrazvočni pregled je popolnoma neporušna in varna ter

dobro uveljavljena preskusna metoda, ki se odraža v mnogih osnovnih proizvodnjah, procesih

in storitvenih dejavnostih, še zlasti v aplikacijah, ki vključujejo zvare in strukturo kovin.

Povečevanje obsega ultrazvočnih pregledov se v veliki meri primerja z razvojem elektronike

in kasneje računalnikov. Zgodnje delo v Evropi in Združenih državah Amerike leta 1930 je

pokazalo, da valovi zvoka odražajo skrite napake ali meje materiala na predvidljive načine,

saj povzročajo značilne eho vzorce, ki se jih da prikazati na zaslonu osciloskopa. Razvoj

sonarja med drugo svetovno vojno je bil dodaten zagon za raziskave na področju ultrazvoka.

Leta 1945 je ameriški raziskovalec Floyd Firestone patentiral instrument, ki ga je poimenoval

»ultrazvočni reflektoskop«. Ta na splošno velja kot prva praktično komercialna ultrazvočna

naprava za odkrivanje napak, ki uporablja impulzno eho tehniko. Med vodilnimi podjetji v

razvoju ultrazvočnih naprav za odkrivanje napak, merilnih lističev ter pretvornikov v letih

1960 in 1970 so bili Panametrics, Staveley in Harisonic, kateri so zdaj del Olympus NDT

(non destructive testing).

Najnovejše izboljšave ultrazvočnih instrumentov temeljijo na digitalni tehniki obdelave

signalov in poceni mikroprocesorjih, ki so na voljo od leta 1980. To je privedlo do zadnje

generacije zelo zanesljivih miniaturnih in prenosnih instrumentov ter računalniških aplikacij

za naknadno urejanje in obdelavo podatkov pri mnogih problemih v vsakodnevnem življenju.


-4-

Potrebno je omeniti še najnovejšo metodo, in sicer Phased Array, ki je bila sprva v

veliki meri omejena samo na zdravstveno področje in je služila za prikaz sestave in strukture

človeškega telesa z interpretacijo relativno enostavne slike. Na drugi strani pa industrijska

uporaba predstavlja veliko večji izziv, saj je pregled otežen zaradi različnih akustičnih

lastnosti kovin, kompozitov, keramike, plastike in steklenih vlaken, kot tudi ogromne

raznolikosti debelin in geometrije, s katerimi se srečujejo v okviru industrijskega preskušanja.


-5-

3. OPIS ULTRAZVOČNIH PRESKUŠANJ

Poleg redne uporabe ultrazvočnih preiskav v medicini je vse večji poudarek tudi v

industrijskem sektorju. Področje uporabe je zelo razširjeno, saj se odraža v pregledovanju

ulitkov, zvarnih spojev, dvoplastnosti, meritve debelin itd. Osebje, ki operira z izvajanjem

ultrazvočnih preiskav oziroma meritev, mora biti ustrezno kvalificirano s strani ustreznega

izobraževalnega centra oziroma kvalifikacijskega organa. Pri nas to izvaja podjetje Q-Techna

s strani nemškega organa Sector Certa. Ravno zaradi širokega področja uporabe in predvsem

vrednotenja rezultatov preiskav je slednje zelo pomembno in je standardizirano.

3.1 Neporušitvene preiskave (NDE – NDT)

Za te preiskave se uporablja tudi izraz "defektoskopija". Gre za znanstveno-tehniško

disciplino, ki se ukvarja s problematiko ocenjevanja stabilnosti kvalitete materiala in

konstrukcij pri pogoju, da se pregledi ali kontrole opravljajo brez vpliva na funkcionalnost

testiranega objekta.

Neporušitvene metode vključujejo izdelavo tehnologij za detekcijo napak in oceno vpliva

napak na kvaliteto materiala polproizvoda ali proizvoda. Temeljijo na fizikalnih lastnostih

materiala, ki ga pregledujemo. Z njimi odkrivamo določene skupine napak ali izvedmo

določene meritve.

Z neporušitvenimi metodami lahko spremljamo zaradi osnovne lastnosti "neporušitve" nek

proizvod od surovine preko polizdelka in končnega izdelka, prav tako pa lahko nadaljujemo

kontrolo v eksploataciji.

V nadaljnem koraku sledi kratek opis posameznih neporušitvenih metod:

• Preiskave s tekočimi penetranti (penetrant zaradi svoje kapilarnosti zapolni napako,

razvijalec pa povzroči njegovo izhajanje na kontrastno površino, s čimer napaka postane

očem vidna)

• Vizualna kontrola (je neporušna preiskava materiala, ki kot sredstvo izkorišča svetlobo

v vidnem področju)

• Magnetna kontrola (s pomočjo magnetnih delcev in ustvarjenega oziroma sipanega

magnetnega polja odkriva na površino odprte napake v feromagnetnih materialih in pa

skrite napake, ki ležijo tik pod površino)


-6-

• Kontrola tesnosti (z vakuumskim poveznikom in črpalko ustvarimo podtlak oziroma

nadtlak, ki nam s pomočjo nanešene milnice pokaže prehajanje plina skozi morebitno

razpoko ali drugo netesnost)

• Ultrazvočna kontrola (uporaba zvočnega valovanja, ki se širi skozi preizkušanec in se

odbije na mejnih površinah napak)

• Radiografska kontrola (pri industrijskih radiografskih preiskavah zabeležimo na filmu

intenziteto sevanja po prehodu skozi preiskušanec in tako dobimo sliko napak)

• Termografska kontrola (termografija uporablja infrardeče skeniranje, podobno kot pri

videokamerah, da se ugotovijo spremembe v temperaturi na površini strojev, kar je

povezano s povečanim prehodom toplote oziroma z obstojem napak)

• Kontrola z vrtinčnimi tokovi (z uporabo elektromagnetne indukcije se odkrivajo

morebitne napake v prevodnih materialih)

• Kontrola akustične emisije (se nanaša na prehodne elastične valove, ki jih generira

nenadna sprostitev napetosti v materialu)

3.2 Fizikalne lastnosti ultrazvočnih valovanj

Ultrazvočni instrumenti generirajo časovno kratke visoko napetostne impulze, zaradi katerih

piezoelektrični pretvornik v ultrazvočni sondi zaniha in nato izniha. Te mehanske vibracije so

osnova nastanka ultrazvočnih valov (frekvence > 20 000 Hz, izven slišnega področja zvoka).

Nihanje se širi skozi pregledovani predmet v obliki valovanja, ki se reflektira (odbija) na

mejnih površinah in ga je mogoče po obratni poti detektirati. Vpadla energija valovanja

mehansko deformira piezoelektrični sprejemnik, zaradi česar se pojavi električni naboj in

električna napetost. To se vizualno prikaže na ekranu instrumenta, kjer je mogoče s pomočjo

ustreznih nastavitev določiti dolžino poti zvoka do posameznega reflektorja na osnovi časa

oziroma razdalje na ekranu med emitiranim impulzom in sprejetim signalom od reflektorja. S

pomočjo formul in drugih pripomočkov za lociranje je potem mogoče točno določiti položaj

reflektorja v pregledovanem predmetu.


-7-

Slika 3-1: Osnovna shema ultrazvočne kontrole

Fizika osciliranja1

Če se obešena utež na vrvici premakne iz lege mirovanja v neko točko in spusti, potem takšno

nihalo niha levo in desno vse dotlej, dokler se zaradi zračnega upora in trenja ne porabi vsa

energija (nihala; slika 3-2). Nihanje je torej enakomerno gibanje okrog položaja mirovanja.

Če se na spodnjo stran uteži pritrdi pisalo, ki pri gibanju levo in desno dela zapis na papirju

(ki se s konstantno hitrostjo premika v določeni smeri), je mogoče tako nihanje tudi grafično

prikazati (slika 3-3) v odvisnosti od časa.

Slika 3-2: Nihalo

1 Osciliranje se terminološko lahko nanaša na vrsto fizikalnih pojavov kot so različne vrste nihanj (mehansko, električno, toplotno itd.)


-8-

Slika 3-3: Prikaz osciliranja

V primeru, da se porabljena energija pri nihanju zaradi zračnega upora nadomešča, lahko

govorimo o tako imenovanem nedušenem (periodičnem2) nihanju, ki ima časovno gledano

konstantno amplitudo. Če pa se izgube energije ne nadomeščajo, pride do dušenega nihanja.

Pri takšnem nihanju se amplituda s časom zmanjšuje. Zelo dušeno nihanje z velikim

koeficientom dušenja, ki obsega le eno oscilacijo (nihaj), se imenuje impulz. Za ultrazvočno

kontrolo različnih materialov se danes uporabljajo predvsem impulzi.

Slika 3-4: Razne oblike oscilacij

2 Periodično nihanje je takšno nihanje, kjer se vrednosti opazovalnih količin ponavljajo v enakih časovnih presledkih neomejeno dolgo


-9-

Nihanje je definirano z naslednjimi fizikalnimi količinami:

• Odklon (deviacija) / amplituda

• Nihajni čas (perioda) / frekvenca

Odklon (deviacija) nihanja predstavlja kateri koli trenutni odmik od lege mirovanja,

maksimalen odklon od mirovalne lege pa se imenuje amplituda nihanja. Nihajni čas T [s]

(perioda) je časovni interval, v katerem se nihalo povrne v izhodiščno lego (čas enega polnega

nihaja – slika 3-5). S pomočjo nihajnega časa3 se izraža tudi frekvenca nihanja f [s-1], ki

predstavlja število nihajev na sekundo. Medsebojno odvisnost nihajnega časa in frekvence s

pripadajočo formulo podaja slika 3-6.

Slika 3-5: Medsebojna odvisnost nihajni čas / perioda

Običajno se pri ultrazvočnih NDT4 pregledih uporabljajo frekvence v področju megahertzov

(MHz), pri čemer se v kontaktno ultrazvočni tehniki frekvence gibljejo v področju od 1 do 5

MHz, pri imerzijski ultrazvočni tehniki pa se uporabljajo tudi višje frekvence in sicer do 25

MHz.

� �1

�

(3.1)

f [Hz] − frekvenca

T [s] − nihajni čas

3 Nihajni čas: s tujko tudi perioda osciliranja 4 NDT angleški izraz: Non Destructiv Testing: Neporušitvena metoda preiskave materiala, pogovorno pa se v branži uporablja tudi izraz defektoskopija


-10-

Slika 3-6: Medsebojna odvisnost nihajni čas / frekvenca

Fizika valovanja

Širjenje nihanja v prostoru se imenuje valovanje. V časovnem intervalu ene periode T (nihajni

čas) se nihanje širi v prostoru za eno nihajno periodo. Pot, ki je opravljena v tem času, se

imenuje valovna dolžina (λλλλ). Količnik valovne dolžine (λ) in nihajnega časa (T) predstavlja

hitrost (c) – (pot v enoti časa), s katero se širi valovanje zvoka. Frekvenca valovanja pa ima

oznako (f).

� �λ

� � � � λ · �

(3.2)

λ [mm] − valovna dolžina

c [mm/s] − hitrost valovanja

f [Hz] − frekvenca


-11-

Slika 3-7: Definicija valovne dolžine

Valovanje se lahko širi po prostoru samo takrat, kadar se nihajna gibanja in vibracije delcev

prenašajo iz ene na drugo. Zato se v brezzračnem prostoru (na primer v vesolju) zaradi

pomanjkanja delcev ne morejo širiti mehanska valovanja, lahko pa se v takšnem okolju

prenaša svetloba in različne oblike sevanj. Zvok se lahko širi v tekočinah in plinih (zraku) s

pomočjo medsebojnih trkov delcev. Na ta način ustvarjene »motnje« se gibljejo s pomočjo

kompresijskega valovanja. Najmanjši delci so v trdih snoveh (npr. v kristalnih rešetkah kovin)

medsebojno kemično vezani. Te vezi je mogoče glede na njihovo delovanje primerjati z

vzmetmi ali raztezanjem gume, zato se opredeljujejo kot elastične vezi (Slika 3-7).


-12-

Slika 3-8: Strukturni model z medsebojno povezavo sestavnih elementov in brez njih

Različne elastične lastnosti materialov imajo za posledico različne hitrosti zvoka, ki so

karakteristične za določene materiale (tabela 3-1). Hitrost zvoka je torej konstantna za

določen material, odvisna pa je od:

• elastičnih lastnosti materiala (modul elastičnosti)

• gostote materiala

V primeru, ko vstopa zvok z določeno frekvenco v predmet (objekt) iz določenega materiala,

ki sprejme njegovo valovno dolžino, se zvok posledično širi v materialu s hitrostjo, ki je

karakteristična za ta material. Pri znanih materialih ima tako izbira frekvence pogosto

odločilen pomen za uspešno izvedbo ultrazvočne kontrole. Na osnovi valovne dolžine je

namreč mogoče oceniti meje odkrivanja5 najmanjše, še razpoznavne velikosti reflektorja6,

katerega red velikosti znaša približno eno polovico valovne dolžine (1/2 λ).

5 Predstavlja mejo odkrivanja ali z drugimi besedami občutljivost ultrazvočnega sistema 6 Reflektor: napaka


-13-

Tabela 3.1: Hitrost zvoka longitudinalnega in transverzalnega valovanja v različnih materialih

Material Longitudinalno valovanje Transverzalno valovanje

voda 1.5 km/s −

svinec 2,2 km/s 0,7 km/s

pleksisteklo 2,7 km/s 1,1 km/s

medenina 4,0 km/s 2,0 km/s

siva litina 4,6 km/s 2,6 km/s

baker 4,7 km/s 2,3 km/s

jeklo 6,0 km/s 3,3 km/s

titan 6,1 km/s 3,1 km/s

aluminij 6,3 km/s 3,1 km/s

Vrste valovanj

Ultrazvočni valovi se v materialu lahko širijo na različne načine. V ultrazvočni kontroli se

najpogosteje uporabljajo naslednje vrste valovanj:

• longitudinalno valovanje (kompresijski valovi: valovanje zgoščin in razredčin)

• transverzalno valovanje (prečni/strižni valovi)

• Raigleighjevo valovanje (površinski valovi)

• Lambovo valovanje (ploščati valovi)

Pri longitudinalnem valovanju (Slika 3-9) leži smer gibanja delcev v isti ravnini kot smer

gibanja valov. Longitudinalno valovanje se lahko zato širi v prostoru kot kompresijski val v

trdem, tekočem in plinastem mediju.

Slika 3-9: longitudinalno valovanje


-14-

Pri transverzalnem valovanju (Slika 3-10) je smer gibanja delcev pravokotna na smer gibanja

valov, zato se takšno valovanje lahko širi le v trdem mediju, ki edini omogoča medsebojen

prenos prečnih (strižnih) premikov oziroma sil med delci. V jeklu je hitrost zvoka in s tem

valovna dolžina transverzalnega valovanja pri enaki frekvenci približno za polovico manjša

kot pri longitudinalnem valovanju. Iz tega torej sledi, da je s pomočjo transverzalnih valov

mogoče odkriti manjše reflektorje v materialu kot z longitudinalnimi valovi iste frekvence.

Slika 3-10: transverzalno valovanje

Od nekega določenega vpadnega kota (pod katerim zvok vstopa v material) pride do

transformacije transverzalnih valov v površinske ali Raigleighjeve valove (Slika 3-11). Ta

vrsta valov se širi s pomočjo eliptičnega gibanja delcev samo na zgornji površini, ki sega v

globino le za približno eno valovno dolžino. Hitrost zvoka v tem primeru znaša približno

0,9 · x glede na hitrost transverzalnega valovanja. Ta vrsta valov (Slika 3-12) se uporablja

predvsem za odkrivanje površinskih razpok (na zgornjih površinah), ostanke nečistoč (večje

količine UT – kontaktnega sredstva, ostanki barve…) in površinske praske (risi) na

pregledovanem objektu, ki lahko pripeljejo do relativno velikih oblikovnih indikacij, ki

otežujejo interpretacijo in oceno realnega stanja.

Slika 3-11: Raigleighjevo valovanje


-15-

Slika 3-12: Odkrivanje površinskih razpok na pregledovanem objektu

Ploščasti ali Lambovi valovi imajo lastnost, da se lahko širijo na dva načina. Simetrično ali

asimetrično, kot je to prikazano na sliki 3-13 (v odvisnosti od debeline materiala, frekvence in

kota, pod katerim se zvok širi v materialu). Lambovi valovi zmeraj zajamejo celotno debelino

materiala in imajo veliko občutljivost odkrivanja, ker vsak reflektor deluje kot motnja na

simetrijo vala, ki se registrira kot indikacija. Pojavljajo se samo pri popolni zasičenosti zvoka

v pregledovanem objektu in so zato primerni le za ultrazvočno kontrolo tanjših predmetov

(debeline nekaj mm).

Slika 3-13: Lambovo valovanje


-16-

Širjenje7 (gibanje) zvoka

Ultrazvočno valovanje, ki se širi v preiskovanem predmetu, lahko pri tem spreminja svojo

• smer in

• intenziteto

To še posebej velja v primerih, ko valovanje doseže mejne površine. Akustična mejna

površina je ozko področje, v katerem se spremeni vrsta medija in s tem hitrost zvoka. Mejna

površina je lahko naravna meja preiskovanega predmeta (geometrijska zunanja površina),

napaka v materialu, stična površina med dvema različnima kovinama, površinske zaščite

(barve), platirani – metalni nanosi, itd. Za ultrazvočno valovanje na mejni površini obstajajo

iz praktičnega stališča le dve možnosti, to sta:

• refleksija (odboj) ali

• prehajanje v nov medij

Najpogosteje se pojavljata oba pojava hkrati, vendar z različnim posameznim deležem. Do

skoraj popolne refleksije zvoka pride na mejni površini kovina/zrak, medtem ko se v primeru

kovina/kovina zvok porazdeli na delež, ki prehaja v nov material in delež, ki se na meji

reflektira.

Snell – ov zakon8

Če zvok zadane neko mejno površino pod pravim kotom, je mogoče reflektirani (odbiti) zvok

zelo dobro sprejeti na njegovi začetni – izhodiščni točki (primer ravne UT-sonde9). V

primeru, ko zvok mejno površino zadane pod določenim kotom, pride do spremembe smeri

zvoka (reflektiranega in tistega, ki nadaljuje gibanje v novem mediju), ki se s tem ne povrne v

svojo izhodiščno točko. Sprememba smeri ultrazvočnega valovanja pri prehajanju v nov

medij se imenuje lom ali refrakcija.

Načeloma lahko na mejni površini iz ene vrste valovanja nastanejo štiri nova, pri čemer se

vsak novo nastali val (valovanje) potem (ko je začetni-vpadni val zadel mejno površino)

giblje naprej pod drugačnim kotom. Tako pri refleksiji, kakor tudi pri refrakciji lahko pride do

transformacije valovanja, kar pomeni, da ima novo nastalo valovanje spremenjeno smer 7 Širjenje zvoka: gibanje, potovanje zvočnega valovanja skozi material (medij) 8 lomni zakon (Priročnik el. fizike; N.L.Koškin-M.G.Širkevič – 1978), v uporabi pa je tudi: Snell-ov zakon loma 9 Ravna UT sonda ,angl. straight beam probe (pulse-echo): ultrazvočna sonda, ki emitira zvok pravokotno glede na kontaktno površino. V literaturi se uporabljajo tudi izrazi normalna ultrazvočna glava, sonda z ravno glavo, ravna UT sonda, ravna UT sonda ali tudi samo ravna sonda. Vsebinsko bi bil ustrezen tudi izraz ultrazvočni pretvornik (sprejemnik/oddajnik).


-17-

osciliranja (nihanja) delcev glede na začetni – vpadni val. S pomočjo Snell – ovega zakona je

mogoče določiti smer novo nastalih valovanj, ne pa tudi njihovo intenziteto. V posameznih

primerih je lahko intenziteta posameznega ali več valovanj enaka nič, kar pomeni, da ne

obstajajo kljub temu, da Snellov zakon določa njihovo smer. Odločilna fizikalna veličina za

spremembo smeri (kota) je hitrost zvoka. Glede na Snell-ov zakon (glej formulo na sliki 3-14)

je sprememba smeri toliko večja, kolikor je višja pripadajoča hitrost zvoka. Če imamo

opravka z dvema trdima medijima, lahko iz enega vpadnega longitudinalnega vala, ki zadane

mejno površino pod določenim kotom, pride do izoblikovanja naslednjih vrst novo nastalih

valovanj oziroma valov (Slika 3-14):

V mediju 1 (reflektirano valovanje):

• En longitudinalni val,

• En transverzalni val

V mediju 2 (reflektirano – lomno valovanje):

• En longitudinalni val,

• En transverzalni val

Slika 3-14: Refleksija in lom na mejni površini, pri čemer je vpadni kot longitudinalnega α1,L enak reflektiranemu kotu longitudinalnega vala, ki se odbije nazaj v medij 1.


-18-

Snell – ov zakon loma:

��

��

�

��

(3.3)

α1 [°] − kot (smer) širjenje zvoka v mediju 1

α2 [°] − kot (smer) širjenje zvoka v mediju 2

c1 [km/s] − hitrost zvoka v mediju 1

c2 [km/s] − hitrost zvoka v mediju 2

Kot α1,L se imenuje vpadni kot zvočnega valovanja. V določenih primerih, ko se v mediju

pojavi zvočno valovanje s hitrostjo (c1), ki zadene mejno površino in od nje odbito valovanje

hitrosti (c2), je mogoče določiti kot (longitudinalnega ali transverzalnega) nadaljnjega širjenja

zvoka v enem in istem mediju. Pri povečevanju vpadnega kota α1,L longitudinalnega vala v

mediju 1 se bo lomni kot α2,L longitudinalnega vala v mediju 2 povečeval do kota 900 (do

smeri mejne površine). V tem primeru se vpadni kot α1,L imenuje prvi mejni kot ali tudi prvi

kritični kot. Pri nadaljnjem povečevanju vpadnega kota α1,L se bo tudi lomni kot α2,T

povečeval, dokler ne bo dosegel kota 900. Pri tej vrednosti se vpadni kot α1,L imenuje drugi

mejni kot ali drugi kritični kot. Pri nadaljnjem povečevanju vpadnega kota α1,L pa se v mediju

številka dva ne pojavi več nobeno valovanje in ta pojav se imenuje popolna (totalna)

refleksija.

V primeru, ko določeni zvočni val po odboju ne zapusti medija ena (refleksija) velja, da

je α1 = α2, ker je c1 = c2. Kadar pa na mejni površini pride do transformacije (spremembe) iz

ene v drugo vrsto valovanja, pa velja:

Odboj s transformacijo valovanja:

��

��

��

��

(3.4)

αL [°] − kot (smer) širjenje longitudinalnega vala

α1 [°] − kot (smer) širjenje transverzalnega vala

cL [km/s] − hitrost zvoka longitudinalnega vala

cT [km/s] − hitrost zvoka transverzalnega vala


-19-

Refleksija in nastajanje ehojev10

V ultrazvočni kontroli se danes v največji meri uporablja impulzna eho tehnika, pri čemer

ultrazvočna sonda najprej oddaja (emitira) impulz v pregledovani predmet, potem pa sprejema

reflektirani odboj tega istega impulza. Če želimo, da se reflektirani impulz povrne na mesto

emitiranja (do UT-sonde), obstaja za to več možnosti (glej sliko 3-15):

• Smer zvoka pravokotno na mejno površino in pravokotni odboj od reflektorja nazaj k

izhodiščni točki,

• Smer zvoka pod kotom glede na mejno površino in pravokotno na reflektor v

notranjosti in pravokoten odboj od poševnega reflektorja nazaj k izhodiščni točki,

• Smer zvoka pod kotom glede na mejno površino in dvojni odboj na mejnih površinah,

ki ležijo pravokotno ena na drugo (kotno zrcalo) ter poševni odboj (pod kotom) nazaj k

izhodiščni točki.

K pravokotnemu odboju se teži v praksi takrat, ko je potrebno odkrivati napake, ki ležijo v

notranjosti pregledovanega predmeta (primer 1 in 2). Poševni (kotni) odboj je primeren takrat,

ko se odkrivajo napake na spodnji površini pregledovanega predmeta (primer 3).

Slika 3-15: Učinek »ogledala« v ultrazvočni kontroli

Mejne površine zunanjih dimenzij pregledovanega predmeta proizvajajo podobne ehoje kot

realne napake, njihovo razlikovanje od indikacij realnih napak pa je mogoče le na osnovi

dolžine impulza oziroma zvočne poti (slika 3-15). Pogosto je to razlikovanje mogoče izvesti

samo z upoštevanjem geometrije predmeta in točne pozicije kotne UT – sonde (slika 3-15

primer 3).

10 EHO: odboj, v UT metodi se nanaša na signal, ki se odbije od nekega reflektorja in ponovno doseže sondo. Oblika EHO – EHOJA je sicer knjižno nepravilna, vendar se v pogovornem jeziku (v branži) uporablja brez izjeme.


-20-

Površine, ki ne ležijo pravokotno ali pod nekim določenim kotom na smer zvoka, prav tako

reflektirajo zvok, vendar najpogosteje ne tako dobro. Prav tako pri določenih vpadnih kotih

zvoka pride do t.i. efekta kotnega zrcala. Tako na primer pri transverzalnem valu pod kotom

približno 600 glede na normalo (slika 3-16) pride po odboju do nastanka skoraj 100

odstotnega longitudinalnega vala, ki potuje od mesta odboja pod drugačnim kotom in se zato

ne vrne k izhodiščni točki kotne ultrazvočne sonde.

Slika 3-16: Efekt kotnega zrcala s transverzalnimi valovi v jeklu.

3.3 Tehnike ultrazvočne kontrole

Resonančna metoda

Resonančno metodo so uporabljali starejši aparati za merjenje debelin stene. Vibrator

vzbujamo z zvezno spremenljivo frekvenco električne napetosti in tako ustvarimo stojne

valove v vzorcu. Iz maksimuma sinusoide izračunamo debelino vzorca.

Slika 3-17: Resonančna tehnika


-21-

Tehnika prezvočenja (intenzitetna metoda)

Kontinuirano ali impulzno vzbujen zvočni val iz oddajne sonde vstopi v vzorec, na drugi

strani pa ga sprejme sprejemna sonda. Jakost vala se zmanjša, če vmes stoji reflektor, ki

zasenči del zvočnega snopa. Vendar pa ima ta postopek določene slabosti:

• možna je le indirektna ocena zato, ker ni mogoče določiti oddaljenosti reflektorja,

• sprememba zvočnega sklopa med sondo in vzorcem vpliva na oceno jakosti prejetega

signala, zato ni mogoče natančno oceniti velikosti reflektorja,

• v praksi pogosto ni mogoče namestiti oddajne in sprejemne sonde na vsaki strani vzorca

simetrično, kar je predpogoj za meritev,

• za to metodo sta potrebni dve ultrazvočni sondi in večkrat tudi dva operaterja.

Slika 3-18: Princip prezvočenja

Slika 3-19: Slikovni prikaz prezvočenja


-22-

Impulzna eho tehnika

Ta metoda se danes v praksi največ uporablja. Ena ultrazvočna sonda služi istočasno kot

oddajnik in sprejemnik, vzbujana pa je impulzno. Istočasno se meri čas potovanja zvoka od

oddajnika do reflektorja in nazaj ter jakost signala (zvočni pritisk). Na ta način se lahko

natančno določi lega reflektorja. Uporabljajo se frekvence od 1 do 10 MHz.

Slika 3-20: Impulzna eho metoda

3.4 Ultrazvočne sonde

Normalna (ravna) sonda

Vibrator, dušilec, tuljava in priključki so vgrajeni v ohišje. Vibrator je na obeh ploskvah

metaliziran, da lahko nanj priključimo električno napetost. Če nanj deluje izmenično

električno polje, prične vibrirati v ritmu frekvence in pošilja mehanske valove v vzorec v

obliki longitudinalnih valov. Dušilec na zadnji strani skrajša čas iznihavanja ploščice tako, da

se v vzorec širi en sam zvočni impulz. Razen tega amortizira vse vibracije, ki se širijo proti

nasprotni steni ploščice v notranjost. Ker je ploščica zelo tanka, je občutljiva na lom in tudi na

obrabo. Proti obrabi jo ščiti plastični sloj. Glede na to, da se zvok širi pravokotno na površino

v vzorec, govorimo o pravokotnem vpadnem kotu zvoka ali tudi pravokotnem vpadanju

zvoka.

Slika 3-21: Zgradba normalne (ravne) ultrazvočne sonde


-23-

Kotna sonda

Za kontrolo pod kotom uporabljamo kotne sonde, ki ultrazvok preko pleksi klina pošiljajo v

vzorec pod kotom. Na pleksi steklu je pritajen vibrator. Dušilec 1 zaduši moteče vibracije, ki

nastanejo vsled refleksije, dušilec 2 pa duši predolgo iznihavanje vibratorja. Po Snell – ovem

zakonu nastanejo poleg longitudinalnih tudi transverzalni valovi. Z ustreznim izborom

vpadnega kota v klinu dosežemo, da se v vzorec širijo samo transverzalni valovi.

Slika 3-22: Zgradba kotne ultrazvočne sonde

SE sonda

Pri do sedaj opisani normalni (ravni) ultrazvočni sondi imamo opravka samo z enim

vibratorjem, ki služi kot oddajnik in sprejemnik. Posledica tega je, da je oddajni impulz delno

ali popolnoma viden na ekranu ter, da odbiti signali od bližjih reflektorjev padejo v to

področje, zato jih ni mogoče ločiti od oddajnega signala. V takšnem primeru govorimo o

pomanjkljivi ločljivosti bližnjih signalov. V praksi pa se pogosto zgodi, da je potrebno izvesti

ultrazvočno kontrolo tankih pločevin ali iskati nepravilnosti blizu površine. V takem primeru

uporabimo sondo z dvema akustično ločenima vibratorjema. Oba sta vgrajena v enem ohišju,

pri čemer eden služi kot oddajnik, drugi pa kot prejemnik. Sonda s takšno konstrukcijo se

imenuje SE sonda.

Slika 3-23: Shema SE sonde


-24-

Zvočno polje

Zvok se s površine vibratorja v kroglasti obliki iz večjih točk širi v vzorec. Kroglasti valovi

med seboj združujejo (interferirajo) ter se oblikujejo v snop. To področje imenujemo bližnje

področje. Zaradi interferenc nastajajo maksimumi in minimumi zvočnega pritiska, kar

povzroči, da se reflektorji na različnih točkah v tem področju pokažejo s spremenljivimi

amplitudami odbitega signala. Konec tega področja je tam, kjer se zvočni snop najbolj zoži in

koncentracija energije najbolj poveča (fokus).

Od tu naprej se zvočni snop razklanja v obliki žarometa. To področje imenujemo

oddaljeno področje. V tem področju se zvočni snop širi v obliki stožca in z oddaljenostjo

zavzame vedno večjo ploskev, gostota energije se manjša na enoto površine in odbiti signal

od reflektorja upada po višini, v odvisnosti od razdalje reflektorja do ultrazvočnega izvora.

Če opazujemo porazdelitev energije prečno na snop zvoka vidimo, da je največja v

centru snopa, tako imenovana centralna linija (središčnica) ultrazvočnega snopa. Izven tega

centra se gostota energije zmanjšuje, vendar ne izgine popolnoma. Če povežemo tiste točke v

snopu, kjer energija pade za polovico, dobimo tako imenovano robno linijo ultrazvočnega

snopa11.

Kot med centralno in robno linijo ultrazvočnega snopa se imenuje divergenčni kot. Če

je znan premer vibratorja D, frekvenca fN in zvočno hitrost c v vzorcu, se lahko izračuna

bližje področje N in kot divergence (θ).

Slika 3-24: Oblika zvočnega polja

11 Na določeni oddaljenosti od UT-sonde predstavljajo robno polje ultrazvočnega snopa točke na krivulji kroga, katerega ravnina leži pravokotno na smer širjenja centralnega polja ultrazvočnega snopa, pri čemer je njegova središčna linija istočasno tudi središče kroga, ki označuje robno polje zvoka. Če bi se povezale te točke, bi nastal geometrijski stožec, ki omejuje robno polje ultrazvočnega snopa.


-25-

Podatki, ki govorijo o karakteristikah sond, se lahko za izračunajo s pomočjo formul ali poiščejo v tabelah različnih proizvajalcev (Slika 3-25).

� ��

� · �

4 · �

(3.5)

��% � 0,5 ·�

�� · �

N [mm] − bližnje področje

θ [°] − kot divergence

Ds [mm] − premer vibratorja

c [km/s] – hitrost zvoka

f [MHz] – frekvenca

Slika 3-25: Primer podatkovnega kataloga (Fa. Krautkramer)


-26-

Slika 3-26: Sonogram za standardne ultrazvočne sonde (Fa. Krautkramer)


-27-

3.5 Zvarni spoji

Obliko zvarnih spojev definira geometrija delov, ki se medsebojno vežejo na liniji spajanja. V

splošnem največkrat srečujemo soležni spoj in T-spoj, pri izdelavi jeklenih konstrukcij pa

srečujemo tudi prekrivne, poševne in vogalne spoje. Slika 3-27 prikazuje omenjene oblike

zvarnih spojev.

Slika 3-27: Oblike zvarnih spojev

Priprava žleba je definirana z željeno obliko žleba. Za ultrazvočne kontrolorje je zelo

pomemben kot žleba pri najpogosteje pripravljenih horizontalnih spojih. V osnovi se oblike

žlebov razlikujejo po svoji geometriji (Slika 3-28). V primeru, ko sta čelni površini sočelnega

spoja paralelni, govorimo o I-zvaru, pri vseh ostalih oblikah pa govorimo o kotnih spojih. Pri

neparalelno pripravljenih robovih definira obliko žleba presek žleba. Glede na obliko žleba

ločimo I, V, Y, U, K, X oblike priprave žlebov.


-28-

Slika 3-28: Oblike zvarnih žlebov

Nepravilnosti zvarnih spojev

Pojavne oblike nepravilnosti v zvarnih spojih so lahko zelo raznolike. Razvrščajo se glede na

njihov položaj oziroma lego (zunanje / notranje), opredeljene pa so kot zunanje (površinske)

in notranje12 (volumetrične) nepravilnosti, ki so bile odkrite v zvarnem spoju. Ta delitev je

zelo pomembna in uporabna pri izjedah zaradi obžiga v temenu zvara (kot karakteristična

varilska napaka), kjer je mogoče že z vizualno kontrolo (VT) hitreje in bolj zanesljivo kot z

UT ali RT metodo interpretirati ter oceniti vrsto in velikost napake13. Pri zunanjih

(površinskih) nepravilnostih velja omeniti predvsem odstopanja oziroma napake oblike (v

skladu z EN 2650). Že majhno odstopanje od zahtevane oblike zvara lahko negativno vpliva

na ultrazvočno kontrolo, ker neustrezna geometrija povzroča spremembo smeri zvoka v

materialu in pojavljanje lažnih signalov, ki se imenujejo indikacije oblike ali tudi

geometrijske indikacije. V skupino napak oblike se uvrščajo:

• Previsoko teme zvara (nasprotno: povešanje temena),

• Pretiran uvar v korenu zvara in votlinica v korenu zaradi krčenja zvara,

• Zamaknjenje,

• Zajeda v temenu in korenu zvara

12 ASME terminologija v splošnem uporablja izraza: Surface (površinska) in Volumetric (volumetrična) indikacija 13 Pojem napaka se v tem poglavju uporablja v širšem kontekstu.


-29-

Slika 3-29: Oblike napak v tehnologiji varjenja (nepravilnosti odkrite zunaj zvara)

Odkrivanje volumetričnih napak, ki ležijo v notranjosti zvara in pogosto niso odprte proti

površini, omogočajo tako imenovane volumetrične metode kontrole materiala kot sta

ultrazvočna (UT) in radiografska (RT) kontrola. Med notranje napake v zvarih spadajo:

• Razpoke (vzdolžne, prečne in razvejane v žrelcu zvara),

• Zlepi (v korenu, na zvarnem žlebu in polnilnem sloju zvara),

• Pomanjkljiv uvar,

• Plinski vključki (poroznost, gnezdo por in podolgovate oziroma črvičaste pore),

• Trdi vključki (kovinski ali vključki žlindre)

Slika 3-30: Oblike napak v tehnologiji varjenja (volumetrične nepravilnosti odkrite znotraj zvara)


-30-

3.6 Konstruiranje DAC krivulje in AVG diagrama

DAC krivulja

Za debeline materiala 8 – 15 mm se uporablja vpadni kot zvoka 700 in pravokotna zareza

globine 1 mm kot referentni reflektor, s pomočjo katerega se izvaja kalibracija (Slika 3-31).

Slika 3-31: Kalibracijski blok z zarezo

Referentno zarezo je potrebno enkrat detektirati direktno in drugič z enim odbojem od

spodnje površine. Na tak način nastane DAC krivulja iz dveh točk, ki predstavljata vrh

signalov (ehojev) od zareze v obeh primerih.

Za debeline materiala večje od 15 mm je potrebno uporabiti kalibracijski blok z bočnimi

izvrtinami premera 3 mm, pri čemer se posamezne izvrtine na kalibracijskem bloku nahajajo

na T/4, T/2 in 3T/4 kot je prikazano na sliki 3-32. DAC krivuljo na ta način izoblikujejo tri

točke. Potek izdelava DAC krivulje:

1. Najprej je potrebno skenirati in detektirati vse tri izvrtine ter izmed njih izbrati najvišji

eho, katerega višina se v naslednji fazi nastavi na 80 – 100 % višine ekrana.

2. Takšno dobljeno pojačanje je potrebno zabeležiti.

3. Pri istem pojačanju je potrebno še enkrat detektirati preostali dve izvrtini, ter zabeležiti

odstotek višine ekrana v vseh treh primerih.

4. DAC krivulja se v končni fazi dobi tako, da se povežejo vse tri točke.


-31-

Slika 3-32: Kreiranje primerjalne DAC krivulje pri kotni sondi

V skladu z DIN EN 1714 je potrebno vrednotiti in interpretirati vse signale, ki po velikosti

padejo v območje od DAC krivulje do padca signala za -10 dB (glede na krivuljo). Če UT-

pregled izvaja kontrolor nivoja – I, mora signale te velikosti tudi zabeležiti, končno oceno pa

poda kontrolor nivoja – II.

�� ∆�

(3.6)

VR [db] − meja registriranja

VJ [db] − pojačanje osnovne kalibracije

∆V [db] − dodatno pojačanje

Kontrolor stopnje I mora povečati osnovno pojačanje za 10 dB, tako da za praktično delo

primerjalna DAC krivulja sovpada z mejo opazovanja in na tak način predstavlja neuradno

mejo registriranja.


-32-

AVG 14 diagram

Podaja relativne razlike pojačanja za idealne krožne reflektorje (KSR) različnih premerov v

odvisnosti od rastoče razdalje od vibratorja. Razlika pojačanja je v diagramu mišljena kot

razlika v nastavitvi pojačanja na aparatu, ki je potrebna, da bi signala obeh primerjanih

reflektorjev dosegla na zaslonu isto dogovorjeno višino. Horizontalna os predstavlja

oddaljenost reflektorja od vibratorja, negativna (padajoča) vertikalna os pa vedno večje

potrebno pojačanje. Na diagramu reflektorjem z različnim premerom pripada po ena krivulja,

tako da dobimo družino krivulj.

Bolj nizko, ko potekajo linije in bolj, ko je pojačanje visoko, manjši so pripadajoči reflektorji

(mersko število G = 1 do 0,05). Nad družino krivulj za določen KSR poteka krivulja zadnje

stene (∞), ki ima manjšo strmino padanja v odvisnosti od oddaljenosti (zakonitost – 6 dB na

mesto – 12 dB). Oddaljenost in velikost sta podani kot normirani veličini, tako da splošni

AVG diagram lahko uporabimo za vse normalne in kotne sonde. V podatkovnih listih za

sonde najdemo le specialne diagrame, ki veljajo le za ta določen tip sonde. Splošni AVG

diagram je uporaben za normalne in kotne sonde z izjemo:

• SE – sond (tukaj lahko uporabimo samo specialne, prilagojene diagrame),

• Fokusirnih sond,

• Visoko dušenih sond

V splošnem AVG diagramu sta oddaljenost in velikost podani normirano; A = Abstand v

enotah N (1 dolžina bližnjega polja) in G = Größe v enotah Deff (efektivni premer vibratorja).

Da bi ta diagram lahko veljal tudi za določeno sondo, moramo poznati naslednje podatke o

sondi:

• Dolžino bližnjega polja N (odvisna je od hitrosti zvoka),

• Efektivni premer vibratorja Deff,

• Zakasnilno pot Sv (potrebna pri vseh kotnih in normalnih sondah z zakasnilnim

nastavkom)

" �#$ #

�

(3.7)

14 AVG (Amplituden-Vergleichs-Große; nem.): Amplituda-Primerjava-Velikost DGS (Distance-Gain-Size; angl.): Oddaljenost-Pojačanje-Velikost. V praksi sta v uporabi predvsem termina AVG-diagrami in AVG skale. AVG diagram je pripomoček, s pomočjo katerega je mogoče višino signala (amplitudo) poljubnega reflektorja primerjati oziroma nadomestiti z ekvivalentno višino (amplitudo) reflektorja znanih dimenzij. To je samo ena od metod, ki se uporabljajo za dimenzioniranje oziroma oceno velikosti realnih napak.


-33-

% ��&'�

�())

A [mm] − oddaljenost v dolžinah bližnjega polja N

Sv [mm] − pot zakasnitve

S [mm] − zvočna pot

N [mm] − dolžina bližnjega polja

G [/] − velikost kot mnogokratnik efektivnega premera vibratorja Deff

DKSR [mm] − premer krožnega ploščnega reflektorja

Deff [mm] − efektivni premer vibratorja

Slika 3-33: Splošni AVG diagram

Transferna korekcija

V primerih, ko občutljivosti ne kalibriramo neposredno na preizkušancu, moramo izvesti

transferno korekcijo, da bi pavšalno upoštevali razlike zaradi različnega sklopa in dušenja

med kalibracijskim blokom in preizkušancem. Od primernega reflektorja (zadnja stena pri

pravokotnem vpadu in V-prezvočenje pri poševnem vpadu zvoka) dobimo po en eho na

kalibracijskem bloku in na preizkušancu ter ju postavimo na (pribljižno) 80 % višine ekrana.

Pripadajoče vrednosti pojačanja VT1 in VT2 kakor tudi zvočni poti s1 in s2 zabeležimo.

Transferno korekcijo potem izračunamo kot sledi:


-34-

∆�� * �� * ∆��

(3.8)

∆VT [db] − transferna korekcija

VT2 [db] − pojačanje pri prezvočenju preizkušanca

VT1 [db] − pojačanje pri prezvočenju kalibracijskega primerjalnega bloka

∆Vs [db] − divergenčne izgube

Slika 3-34: Transferna korekcija

Določitev divergenčnih izgub ∆Vs je potrebna le pri različnih debelinah sten. To korekturno

vrednost v dB določimo tako, da iz AVG diagrama na krivulji za zadnjo steno odčitamo

razliko pojačanja med zvočnima potema S1 in S2.

Slika 3-35: Določitev divergenčnih izgub iz AVG diagrama


-35-

4. PRAKTIČNA IZVEDBA ULTRAZVO ČNE PREISKAVE

V tem poglavju je opisana izvedba ultazvočne preiskave zvarov na parovodu. Začetek opisuje

predmet preiskave, kjer so zajeti karakteristični podatki o materialu in se nadaljuje do vrste

preiskave, kjer je opisan način varjenja in splošni podatki o zvarnih spojih. V nadaljevanju

sledi opis kalibracije oddaljenosti in občutljivosti ter se konča s praktično izvedbo, kjer je

opisan celoten postopek kontrole.

Predmet preiskave

Ultrazvočna kontrola se je vršila na parovodu iz nazivnih dimenzij ø168,3 × 17,5 mm, vendar

se je v praksi pokazalo, da debelina materiala močno varira od 17,5 mm do 20 mm. Razlog

obrabe materiala je notranja korozija stene cevi. Delovna temperatura in delovni tlak znašata

538°C in 97 bar. Temperatura vode v cevi pa je odvisna od zunanjih dejavnikov in sicer, ko je

bila zunanja temepratura -3,6°C je bil odvod vode naslednji:

• Temperatura T = 115°C,

• Tlak p = 10 bar,

• Pretok Q = 5970 m3/h

Osnovni material parovoda je 10CrMo910, kateri s povečano vsebnostjo molibdena in kroma

zagotavlja večjo toplotno prevodnost in odpornost proti koroziji. Karakteristični podatki so

prikazani v naslednjih tabelah.

Tabela 4.1: Kemična sestava 10CrMo910

Material C Si Mn P S Cr Mo Ni Nb Ti V Al N Cu

10CrMo910 0,08/0,14 0,50 0,40/0,80 0,020 0,010 2,00/2,50 0,90/1,10 / / / / / 0,012 0,30


-36-

Tabela4.2: Mehanske lastnosti 10CrMo910

Material Debelina

Meja

tečenja

Natezna

trdnost Raztezek (A)

Vpliv energije na

temperaturo

-20 °C 0 °C +20 °C

mm MPa MPa % J J J

10CrMo910

≤ 16 310 480/630 18 / / 31

> 16 ≤ 40 300 480/630 18 / / 31

> 40 ≤ 60 290 480/630 18 / / 31

> 60 ≤ 100 280 470/620 17 / / 27

> 100 ≤ 150 265 460/610 17 / / 27

> 150 ≤ 250 250 450/600 17 / / 27

Vrsta preiskave

Pregled preiskave so zvarni spoji, katere je bilo potrebno pregledati skladno s standardom, ki

je dodan v prilogi. Pregledani zvari so sočelni oziroma soležni z »V« pripravo zvarnega žleba.

Varjenje je potekalo s kombinacijo postopkov TIG (angleško Tungsten Inert Gas – 141) in

ELEKTRO – OBLOČNO (111).

Pri TIG postopku med varjenjem gori oblok med netaljivo volframovo elektrodo in

osnovnim materialom. Pri tem se razvije toplota, ki raztali osnovni material. Zaščitni plin

(argon) se dovaja skozi šobo gorilnika. Varilec med varjenjem v eni roki drži gorilnik, v drugi

pa dodajni material, v našem primeru varilno žico W CrMo2Si.

Slednji postopek je ročni, pri katerem se uporablja oplaščena odtaljiva elektroda, v

našem primeru E CrMo2 B 42 H5. Električni tok je lahko izmenični ali enosmerni. Z njim

vzpostavimo električni oblok med elektrodo in varjencem, kateri tali osnovni material in

elektrodo. Oplaščenje elektrode vzpostavi zaščitno atmosfero, ki ščiti oblok in talino. Med

varjenjem nastaja plast žlindre, ki prav tako varuje var pred zunanjo atmosfero, ter upočasnuje

ohlajanje vara.


-37-

4.1 Kalibracija oddaljenosti 15

Impulzna eho tehnika omogoča zelo eksaktno določevanje položaja posameznih reflektorjev,

ker se izvaja s pomočjo časovnega merjenja zvočne poti, pri čemer je čas premo sorazmeren z

opravljeno potjo do posameznega reflektorja in nazaj v pregledovanem predmetu. Da bi bilo

mogoče odčitati dejansko pot zvoka v predmetu, je zato potrebno umeriti horizontalno os (X-

os) s pomočjo znanih dimenzij kalibracijskega bloka, ki mora biti izdelan iz materiala z znano

hitrostjo zvoka. Takšno umerjanje se imenuje kalibracijska oddaljenost16.

Za različne vrste ultrazvočnih pregledov obstaja cela vrsta kalibracijskih blokov z

različnimi kalibracijskimi reflektorji. V našem primeru sta se uporabila standardna

kalibracijaska bloka K1 in K2.

Kljub temu, da proizvajalec skupaj s sondami praviloma zagotavlja tudi dokumentacijo

o nazivnem kotu in položaju izhodne točke kotne UT-sonde (X-dimenzija: oddaljenost med

čelnim robom in izhodno točko centralnega snopa), se lahko v praksi pojavijo odstopanja od

teh vrednosti celo v primerih, ko se sonda sploh še ni uporabljala. Nazivni parametri se lahko

spremenijo tudi zaradi obrabe spodnje, drsne površine sonde. Glede na to, da predstavljata X-

dimenzija in vstopni kot ultrazvočnega snopa zelo pomembna parametra za določevanje

koordinat reflektorja, jih je potrebno pred vsako kalibracijo izmeriti in kontrolirati tudi med

samim ultrazvočnim pregledom.

Slika 4-1: Spremembe X-dimenzije in nazivnega kota sonde.

15 V praksi se za ta pojem uporabljajo tudi izrazi justiranje na zvočno pot, kalibracija časovne baze ali samo kalibracija. 16 Kalibracijska oddaljenost: Razdalja od UT-sonde do reflektorja, ki se uporablja za kalibracijo (zadnja stena, izvrtina, utor, zareza)


-38-

Kalibracijski blok K2 ne vsebuje bočne zareze in krožnega odseka, tako da je večkratni odboj

na tem bloku drugačen kot pri bloku K1. Pot zvoka v bloku K2 je podrobno obdelana na sliki

4.2. Kadar ultrazvočna sonda oddaja zvok v smeri polmera 25 mm, se pri njenem optimalnem

položaju pojavi eho 1 od krožnega loka 25 mm. V UT-sondo se vrne samo del tega zvoka,

večji del pa se reflektira in nadaljuje pot v smeri polmera 50 mm, kjer se na krožnem loku

zopet odbije v isti smeri nazaj. V naslednjem koraku se zvok odbije od površine na mestu

izhodne točke sonde, ki sprejme del energije, večina zvoka pa se usmeri proti krožnemu loku

25 mm in od tam po ponovnem odboju prispe nazaj do kotne UT-sonde (eho 2). Odboja na

krožnem loku 50 mm UT-sonda ne zazna, v nasprotju s tem pa reflektirani zvok od krožnega

loka 25 mm potuje direktno nazaj v sondo in s tem ustvari eho, ki ga ta detektira. Medsebojna

razdalja kalibracijskih ehojev znaša s tem 75 mm. To velja tudi v primeru, če se sonda najprej

usmeri v krožni lok 50 mm. Razlika je le, da v tem primeru leži kalibracijski eho 1 na

oddaljenosti 50 mm

Slika 4-2: Pot zvoka in zaporedje večkratnih ehojev pri bloku K2

Tehnike kalibracije

Tehnike kalibracije časovne baze UT instrumenta na oddaljenost so opisane v standardu EN

583-2. Za vsako kalibracijo sta potrebna najmanj dva ehoja, katerih medsebojna razdalja na

horizontalni skali zaslona mora biti pri izbranem kalibracijskem področju čim večja. Položaj

ehojev na zaslonu spreminjamo z dvema nastavitvenima gumboma in sicer:


-39-

• z gumbom »ničla« premikamo celotno sliko levo in desno,

• z gumbom »področje« stiskamo in širimo sliko.

Slika4-3: Kalibracijski blok K2

Z izmeničnim spreminjanjem obeh nastavitvenih gumbov postavimo izbrana ehoja tako, da se

strmina dviga impulza pokriva z vnaprej izbranim položajem na skali za predvideno

kalibracijsko področje. Uporabljamo naslednje tehnike:

• A: uporaba niza odbojev od velikega reflektorja: pri normalnih sondah je za to

primerna zadnja stena na K1, K2 bloka ali zadnja stena preizkušanca, pri kotnih sondah

pa krožni loki na K1 in K2 bloku. Prednost te tehnike je, da dobimo istočasno dva

ehoja na zaslonu,

• B: uporaba odbojev od dveh različnih reflektorjev na razli čni zvočni poti: pri

normalnih sondah lahko naprimer uporabimo ehoja od dveh malih izvrtin v K1 bloku na

oddaljenosti 15 mm in 35 mm,

• C: uporaba odbojev od dveh različnih reflektorjev: to tehniko kalibracije uporabimo,

kadar aparat kalibriramo na oddaljenost na primerjalnem bloku neposredno pred

kalibracijo aparata na občutljivost. Zaradi tega imenujemo to tehniko tudi tehnika

primerjalnega (referenčnega) bloka.


-40-

Slika 4-4A: Tehnika enega reflektorja

Slika 4-5B: Tehnika enega reflektorja iz dveh različnih položajev


-41-

Slika 4-6C: Tehnika dveh reflektorjev iz dveh različnih položajev

Trikotnik napake

S kotno sondo lahko določimo v preizkušancu položaj reflektorja (v kontaktni tehniki), tako

da z uporabo kotnih funkcij izračunamo globino in projekcijo oddaljenosti reflektorja od

izhodiščne točke sonde. Ti dve dimenziji lahko izračunamo, če s kalibriranim aparatom

izmerimo zvočno pot do reflektorja in če poznamo podatke sonde (x – mera in dejanski

vpadni kot zvoka).

Slika 4-7: Trikotnik napak

Izračun a' in b zvočne poti:

a, � · �� * - . � · �/�

(4.1)


-42-

Izračun b iz a' in izračun a' iz b

. �a0 x

23�� a0 � . · 23�� * -

Brez preusmeritve Ena preusmeritev Dve preusmeritvi

2 � . 2 � 2 · 5 * . 2 � . * 2 · 5

α [°] − vpadni kot

S [mm] − zvočna pot

b [mm] − globina v trikotniku napake

t [mm] − dejanska globina

a [mm] − projekcija oddaljenosti

a' [mm] − skrajšana projekcija oddaljenosti

d [mm] − debelina preizkušanca

Kalibracija oddaljenosti in občutljivosti ter izvedba same ultrazvočne kontrole je potekala z

uporabo ultrazvočnega aparata znamke GEIT (General Electric Inspection Tehnologies) in

tipa Phasor XS, ki je prikazan na sliki 4-8. Za pregledovanje sta se uporabili sondi z

različnima kotoma in sicer 45° in 60°.

Slika 4-8: Digitalni ultrazvočni aparat GEIT Phasor XS


-43-

Praktična izvedba kalibracije s kotno sondo MWB 45-4 je potekala z uporabo prej

omenjenega standardiziranega kalibracijskega bloka K2, priključitvenega koaksialnega kabla

iz ultrazvočnega aparata do sonde ter kontaktnega gela ZG-F proizvajalca Krautkramer, kateri

služi za vzpostavitev akustičnega sklopa med kontaktno površino sonde ter kalibracijskega

bloka in kasneje preizkušanca (zvar).

Slika 4-9: Ultrazvočni gel ZG-F Krautkramer

Kot prvo je potrebno pri kalibraciji nastaviti vrednost X-dimenzije na kotni sondi. Ker smo

uporabili dve vrsti sond, je potrebno za vsako posebej narediti umeritev. X-dimenzija se je

nastavila na bloku K2 oznake R25, kar pomeni radij 25 mm. Ker imajo sodobni ultrazvočni

aparati sposobnost računanja trigonometričnih funkcij (trikotnik napak) moramo v nastavitve

aparata vnesti določene podatke.

Najprej je bilo potrebno v meniju TRIG vnesti vrsto sonde (probe angle = 45°),

nastaviti debelino osnovnega materiala in s tem tudi kalibracijskega bloka (thickness = 20

mm) in vrednost x-dimenzije (x value = 12,50 mm). Potem je bilo potrebno vnesti frekvenco

sonde, kar smo naredili v meniju RECV (frequency = 4 MHz) in (rectify = fullwave). Izbira

4 MHz sonde je temeljila na lastni presoji in ni bila pogojena s strani naročnika. V

nadaljevanju smo v meniju PULSER nastavili dušenje (damping = 1000 ohm). Dušenje je

odvisno od vrste materiala in sonde. V našem primeru je najbolj ustrezala vrednost 1000 ohm.

Nastavitve mernega območja, zakasnitve sonde in hitrost zvočnega valovanja v preizkušanec

se je izvedla v meniju HOME in sicer območje (range = 100,00 mm), zakasnitev sonde

(probe delay =5,330 µs), hitrost (3251 m/s). Celotni shematski prikaz opisanih navodil je

viden na sliki 4-10.


-44-

Slika 4-10: Izvedba kalibracije na bloku K2 s kotno sondo 45°.

Kot je razvidno na sliki 4-10, je prvi eho postavljen na vrednost 80 % višine ekrana in znaša

32,0 db. To je prvi odboj na bloku K2 z radijem 25 mm. Prav tako vidimo, da so vrata

(angleško gate) postavljena na prvi eho, zato nam ultrazvočni aparat direktno odčita vrednost

zvočne poti SA = 25,00 mm. Zvočna pot zadnjega eha, pa znaša 100,00 mm. Vrednosti, ki se

še pojavljata na sliki in sta prav tako pomembni za nas v nadaljevanju sta DA = 17,68 mm in

RA = 5,18 mm. Vrednost »DA« je izražena globina od kristala sonde do reflektorja in

vrednost »RA«, katera pomeni razdaljo od čela sonde do reflektorja. S tem, ko imamo na

ekranu postavljena dva eha na mernem področju 100 mm, prvega na 25 mm in drugega na

100 mm, smo zaključili kalibracijo oddaljenosti. Podobno kalibracijo smo izvšili s kotno

sondo MWB 60-4, kar je razvidno na sliki 4-11. Postopke je isti kot zgoraj opisan, s tem da se

spremenijo določene vrednosti .


-45-

Slika 4-11: Izvedba kalibracije na bloku K2 s kotno sondo60°.

Slika 4-12: Kotna sonda MWB 60 – 4 in MWB 45 – 4


-46-

4.2 Kalibracija ob čutljivosti

Impulzna-eho tehnika preiskave z ultrazvokom daje natančno informacijo o položaju

reflektorjev ob pogoju, da je čas preleta impulza izmerjen. Vsa prizadevanja, da bi iz meritev

višine ehojev dobili točne informacije o lastnostih reflektorjev, naletijo na omejitve.

Sposobnost odbijanja je med drugim odvisna od:

• velikosti reflektorja,

• vrste reflektorja (točkast, cilindričen, ploskovni),

• geometrije reflektorja (poševna lega, ukrivljenost, itd),

• hrapavosti reflektorja,

• valovne dolžine (frekvence in vrste valovanja).

Zaradi velikega števila vplivov na sposobnost odbijanja je samo iz višine ehoja nemogoče

določiti dejansko velikost reflektorja. Današnja tendenca na tem področju pa je, da odbojnost

naravnih reflektorjev primerjamo z odbojnostjo umetnih reflektorjev.

Take primerjave pa so lahko direktne ali indirektne. Pri direktnem načinu moramo imeti

na razpolago primerni primerjalni (referenčni) blok, v katerem izdelamo skladno s predpisi

primerjalne reflektorje. Pri indirektni primerjavi določimo odbojnost primerjalnega oziroma

referenčnega reflektorja – največkrat je to krožni ploščni reflektor, KPR17 – s pomočjo

fizikalnih zakonitosti. Pri direktni primerjavi torej govorimo o metodi primerjalnega

bloka, pri indirektni primerjavi pa o AVG (DGS)18 metodi.

V našem primeru govorimo o direktni primerjavi z umetnim primerjalnim blokom in izvedbo

DAC krivulje.

Primerjalni bloki morajo biti, kolikor je le mogoče, v smislu zvočnih lastnosti in geometrije

enaki preizkušancu. Zaradi te zahteve morajo biti ali del samega preizkušanca ali izvirati iz

istega materiala, da so tako šli skozi isti postopek toplotne in površinske obdelave kot

preizkušanec. Vsebovati morajo najmanj tri reflektorje, ki so razporejeni po celi globini

preiskave tako, da jih lahko detektiramo (nazvočimo) posamično.

17 Krožni ploščni reflektor (KPR) : V uporabi je tudi izraz krožni disk ), angleško FBH-Flat Bottom Holle. Izvrtina z ravnim dnom, nemško KSR-Kreis scheiben reflektor. 18 AVG , nemško: Abstand Verstärkung Grösse (oddaljenost pojačanje velikosti), DGS, angleško: distance gain size


-47-

Metoda primerjalne višine

Pri majhni debelini stene, pri kratkih zvočnih poteh in zanemarljivem dušenju v preizkušancu,

lahko postopek poenostavimo. V teh primerih zadostuje kalibracija občutljivosti samo na eni

sami zvočni poti in na enem samem primerjalnem reflektorju. Da zagotovimo zadostno

občutljivost za celo področje preiskave, moramo to storiti pri maksimalni zvočni poti. Metodo

primerjalne višine največkrat uporabljamo pri ultrazvočni preiskavi cevi in palic.

Slika 4-13: Metoda primerjalne višine

Izvedba DAC krivulje

Ko izberemo primerni primerjalni blok za nalogo preiskave, poiščemo reflektor, ki daje

največji eho. Ni nujno, da bi bil to eho od najbližjega reflektorja. Eho od tega reflektorja

postavimo na 80% višine skale. Za to potrebno pojačanje zabeležimo kot osnovno pojačanje

(V j). S tem pojačanjem, torej brez spreminjanja pojačanja, detektiramo (nazvočimo) tudi vse

ostale primerjalne reflektorje. Izbira primerjalnega bloka je temeljila na isti debelini kot je

dejanski preizkušanec (20 mm), kar je razvidno iz slike 4-14.

Slika 4-14: Primerjalni blok z dvema izvrtinama


-48-

Primerjalni blok ima dve izvrtini s prečnim premerom 3 mm. Postopek izvedbe DAC krivulje

je potekal, kot je že zgoraj omenjeno z odbojem od reflektorja, ki daje najvišji eho. Postopek

kalibracije občutljivosti je bilo tako kot kalibracijo oddaljenosti izvesti dvakrat, kajti imamo

dve sondi 45° in 60°. Najvišji zabeležen eho smo postavili na 80% višine ekrana in se

pomaknili na drugo izvrtino, ki je na obratni strani primerjalnega bloka. Osnovno pojačanje si

je potrebno zapomniti in se ne sme spreminjati do konca izvedbe DAC krivulje. (V j = 42 db,

slika 4.15).

Slika 4-15: Izvedba DAC krivulje s 45° sondo

Drugi eho nam predstavlja manjšo vrednost kot prvi, saj je zvočna pot drugega reflektorja

daljša kot prva in tako dobimo drugo točko. Nadaljujemo s tretjo točko in na koncu še četrto.


-49-

Ultrazvočnemu aparatu zadostujejo tri točke za izris krivulje, tako da ni vedno potrebno

določiti tudi četrte. Potrebno je omeniti še barve na sliki 4-15, katere predstavljajo področje

kje se nahajamo. Rumena barva pomeni, da smo prvi eho dosegli s pol koraka zvočne poti,

kakor tudi drugi eho. Siva barva ponazarja cel korak, z enim odbojem in tukaj je določena

tretja točka. Modra barva določa korak in pol, kjer je zabeležena še četrta točka. Signal te

točke je tudi opažen na sliki 4-15.

Prav tako je potrebno omeniti tudi paralelne referenčne črte, katere ponazarjajo padec

decibelov. Standard SIST EN 1712 govori, da je potrebno vsako indikacijo katera doseže

referenčni padec -10 db temeljito pregledati, vendar ne zabeležiti. S tem, ko pa dosežemo

padec -6 db govorimo o indikacijah, katere je potrebno zabeležiti. Pregled celotnega parovoda

je temeljil na padcu -6 db, kateri je bil kriterij sprejemljivosti. Na sliki 4-16 je ponazarjena

DAC krivulja s 60°sondo. Postopek je enak prejšnjemu, z razliko ene točke manj.

Slika 4-16: Izvedba DAC krivulje s 60° sondo


-50-

4.3 Izvedba ultrazvočne kontrole

Sama izvedba ultrazvočne kontrole je bila izvedena iz strani podjetja Qtechna d.o.o. Pregled

se je vršil na objektu termoelektrarne – toplarne Ljubljana in sicer ob letnem remontu.

Pregledanih je bilo devet zvarov, kar je razvidno iz izometrične projekcije, ki je dodana v

prilogah. Kriterij sprejemljivosti je bil krovni standard SIST EN 1712 / Level 2 /priloga) in

mejno vrednost ocenjevanja zvarov po standardu SIST EN 5817/B (priloga). Obseg pregleda

je zajemal 100%. Poleg ultrazvočne preiskave so se še izvedle ostale neporušitvene metode, ki

pa niso tema diplome.

V nadaljevanju so posebej opisani zvari, njihova sestava ter priprava zvarnih robov.

Podan je tudi slikovni material za vsak zvar.

TVP in var razmejuje črta taljenja oziroma črta zlitja materiala. Področji nastalega TVP in

nespremenjenega osnovnega materiala razmejuje doseg temperature, kjer se mikrostruktura ne

spremeni. Višina potrebne temperature za spremembo mikrostrukture materiala je odvisna od

vrste materiala. Primer je podan za ogljikovo jeklo.

Slika 4-20: Nespremenjeni osnovni material

Slika 4-17: Dvovarkovni »V« soležni zvar Slika 4-18: Točkovni zvar brez dodajnega materiala

Slika 4-19: Makro posnetek »X« zvara debeline 19 mm


-51-

Priprava zvarnih robov

Glavni namen strojev za obdelavo zvarnih robov v današnjem času je zagotoviti kvaliteten

izdelek z ekonomičnim delovanjem in v največji meri izločiti človeško roko iz delovnega

procesa. Izločitev človeka pomeni hitrejšo obdelavo materialov brez neposrednega vpliva

človeka, ki je v preteklosti imel pomembno vlogo pri tem. Pri novejših strojih ima glavno

gibanje obdelovalna glava, ki ima poleg glavnega vrtečega gibanja, tudi podajalno gibanje. To

lahko kontroliramo ročno, ali pa je podajanje avtomatsko. V splošnem gledano je stroj za

obdelavo zvarnih robov pomemben za kvalitetno obdelavo in ekonomično delovanje. Za

zagotavljanje kvalitete so zelo pomembni; obstojnost rezalnih materialov, natančnost

obdelave, natančno vpenjanje cevi, hitrosti obdelave, itd. Vsak proizvajalec strojev za

obdelavo zvarnih robov te parametre določi in v navodilih o uporabi navede najprimernejše

vrednosti za obdelavo.

Slika 4-21: Prenosna stružnica RPG 4.5


-52-

Pred pričetkom varjenja mora biti izdelan popis varilnega postopka (WPS), med samo

izvedbo varjenja pa popolni nadzor. Oseba, ki nadzira mora biti ustrezno usposobljena

skladno s standardom. Podatki varilnega dnevnika za parovod so vsebovali sledeče

karakteristike, ki so opisane v nadaljevanju.

Popis varilnega postopka (WPS)

• Oznaka osnovnega materiala: 10CrMo910,

• Skupina materiala po SIST EN 287-1: 6,

• Debelina materiala: 20 mm,

• Zunanji premer oziroma dimenzija: 323,9 mm,

• Položaj varjenja: PC (vodoravno na steni),

Oblika zvarnega žleba

Slika 4-22: Priprava zvarnih robov materiala 10CrMo910 na parovodu

Slika 4-23: Vrstni red varjenja


-53-

Tabela 4.3: Varilni parametri

Varilni sloj Postopek Varilni tok

[A]

Varilna

napetost [V]

Vrsta

toka/polariteta

Oznaka

dodajnega

materiala

Premer

dodajnega

materiala

1 TIG 90-110 13-14 DC: - 20MVW-IG 2,4 mm

2 in 3 TIG 90-115 13-14 DC: - 20MVW-IG 2,4 mm

4 E 100-115 DC: + Fox20MVW 3,2 mm

n E 100-120 DC: + Fox20MVW 3,2 mm

• Vrsta zaščitnega plina: Argon 4.6, pretok 10-12 l/min,

• Zaščita korena: Argon 4.6, pretok 6 l/min,

• Medslojna temperatura: TIG = 280°C, E = 400°C,

• Temperatura toplotne obdelave zvara: 760°C, trajanje 60 min,

• Hitrost segrevanja/ohlajanja: 150°C/h,

• Pred varjenjem sušiti elektrode dve uri na 300-350°C.

Opis zvarov in slikovni prikaz:

Osnovna debelina materiala znaša 20 mm.

Pregled se je vršil iz leve in desne strani s 45°

in 60° sondo. Širina sklopne površine na levi in

desni strani je znašala 50 mm za 45° in 90 mm

za 60° (projekcija zvočne poti pomnožena s

faktorjem 1,25). Oblika zvara je podana na

sliki 4-25.

Slika 4-25: »V« oblika zvarnega spoja

Slika 4-24: Zvar 1


-54-

Osnovna debelina materiala je 20 mm. Pregled

se je vršil iz leve in desne strani s 45° in 60°

sondo. Širina sklopne površine na levi in desni

strani je znašala 50 mm za 45° in 90 mm za

60° (projekcija zvočne poti pomnožena s


sliki 4-25.







sliki 4-25.







sliki 4-25.

Slika 4-26: Zvar 2

Slika 4-27: Zvar 3

Slika 4-28: Zvar 4


-55-

Osnovna debelina materiala je 20 mm.


in 60° sondo. Širina sklopne površine na levi

in desni strani je znašala 50 mm za 45° in 90

mm za 60° (projekcija zvočne poti

pomnožena s faktorjem 1,25). Oblika zvara je

podana na sliki 4-25.







sliki 4-25.







sliki 4-25.

Slika 4-29: Zvar 5

Slika 4-30: Zvar 6

Slika 4-31: Zvar 7


-56-















Slika 4-32: Zvar 8

Slika 4-33: Zvar 9


-57-

5. Rezultati ultrazvo čne kontrole

V petem poglavju so predstavljeni rezultati, ki so bili opravljeni z izvedbo ultrazvočne metode

na parovodu sveže pare. V začetku je opis referenčnega standarda SIST EN 1712, kateri je

kriterij sprejemljivosti. Izometrija zvarnih spojev je podana v prilogi skupaj z standardom

1712 ter SIST EN 5817, kateri določa mejno vrednost ocenjevanja zvarov.

V nadaljevanju sledi opis napak, shematski prikaz ter dokaz s pomočjo radiografske

kontrole.

5.1 Vrednotenje zaznanih nepravilnosti

Standard SIST EN 1712

Ta evropski standard navaja ultrazvočna nivoja sprejemljivosti 2 in 3, za zavarjene spoje s

polno penetracijo v feritnih jeklih, katera odgovarjata nivoju kvalitete B oziroma C iz EN

25817. Z dogovorom med pogodbenima strankama se lahko uporabijo drugi nivoji

sprejemljivosti. Sledi zvleček standarda za naše potrebe.

Nastavitev občutljivosti se lahko izvede z:

• Metoda 1: prečne izvrtine premera 3 mm.

Za nastavitev referenčnih nivojev se lahko uporabi sledeča metoda:

• Metoda 1: referenčni nivo je »razdalja – amplituda« krivulja (DAC) za prečno izvrtino

premera 3 mm

Vrednotiti se mora vse indikacije, ki so enake ali presegajo naslednje:

• Metoda 1: referenčni nivo – 10 dB (33% DAC)

Kadar nivoji registriranja niso drugače določeni, se morajo uporabiti naslednje vrednosti za

metodo 1:

• Nivo sprejemljivosti 3: referenčni nivo – 2 dB (80% DAC)

Vse indikacije z amplitudo odboja in dolžino, ki presegajo naslednje omejitve so

nesprejemljive:

• Metoda 1: slika 5.1 in tabela 5.1


-58-

Tabela 5.1: Nivoja sprejemljivosti 2 in 3 za metodo 1

8 mm ≤ t < 15 mm

dolžina indikacije, l (mm) maksimalna dovoljena amplituda odboja

l ≤ t referenčni nivo

l > t referenčni nivo - 6 dB

15 mm ≤ t ≤100 mm

dolžina indikacije, l (mm) maksimalna dovoljena amplituda odboja

l ≤ 0.5t referenčni nivo + 4 dB

0.5t < l ≤ t referenčni nivo - 2 dB

l > t referenčni nivo - 6 dB

nivo vrednotenja: referenčni nivo - 10 dB

nivo registriranja: nivo sprejemljivosti 2 = referenčni nivo - 6 dB

nivo sprejemljivosti 3 = referenčni nivo - 2 dB

Relativna amplituda odboja Legenda: _____ nivo sprejemljivost

-------- nivo vrednotenja

Slika 5-1: Nivoja sprejemljivosti 2 in 3 za metodo 1, dolžine 15mm ≤ t ≤ 100mm


-59-

S tehniko stalnega (konstantnega) nivoja amplitude merimo stransko (bočno) dimenzijo

indikacije, pri kateri je odboj enak ali večji kot nivo vrednotenja.

Meritev se opravi s skeniranjem snopa skozi indikacijo in beleženjem položaja sonde ter

območja poti snopa pri katerem je odboj padel na nivo vrednotenja (položaja 1 in 2

na sliki 5.2).

Stranska (bočna dimenzija l), je potem določena kot razdalja med položajema 1 in 2.

Slika 5-2: Tehnika stalnega (konstantnega) nivoja amplitude z uporabo osi snopa na -10 db padcu

Pri celotnem pregledu devetih zvarov parovoda je bila odkrita indikacija na osmem zvaru.

Ostali zvari so bili sprejemljivi in brez posebnosti, opaziti je bilo občasno geometrijske

indikacije (koren zvara).

Zvar 8 (T – kos)

Na zvaru je bila odkrita nepravilnost v dolžini

140 mm. Iz eho dinamike je bilo razvidno, da

gre za razpoko. Pregled se je vršil s MWB 54-

4 in MWB 60-4 kotno sondo. Razpoka je bila

takoj vidna, saj je eho skočil krepko čez

referenčno DAC krivuljo (slika 5-4).

Slika 5-3: Mesto in dolžina indikacije

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo

Tabela 5.2: Vrednotenje mejne vrednosti nepravilnosti po SIST EN 5817

Št.

ISO

6520-1

referenca

Označba

nepravilnosti

1. Površinske nepravilnosti

1.1 100 Razpoka

1.2 104 Razpoka v

žrelcu

1.3 2017 Površinska

pora

1.4 2025

Odprta

votlinica v

žrelcu

1.5 401

Zlep

(pomankljiva

spojitev)

Mikro

pomanjkljiva

spojitev

1.6 4021

Slaba

prevaritev v

korenu

Le pri enostransko zavarjenih so


-60-

Vrednotenje mejne vrednosti nepravilnosti po SIST EN 5817

Opomba t

mm

Mejne vrednosti za nepravilnosti pri

D

nepravilnosti

- ≥

0,5 Ni dopustno

- ≥

0,5 Ni dopustno

Maksimalna dimenzija posamezne pore za

- Sočelni zvar

- Kotni zvar

0,5

do

3

d ≤ 0.3 s

d ≤ 0.3 a

Maksimalna dimenzija posamezne pore za

- Sočelni zvar

- Kotni zvar

> 3

d ≤ 0.3 s

vendar maks.

3 mm

d ≤ 0.3 a

vendar maks.

3 mm

0,5

do

3

h ≤ 0.2 t

> 3

h ≤ 0.2 t

vendar maks.

2 mm

-

≥

0,5

Ni dopustno

Odkrito le z mikro-preiskavo Dopustno

Le pri enostransko zavarjenih sočelnih spojih

≥

0,5

Kratke

nepravilnosti:

h ≤ 0.2 t

vendar maks.

2 mm

Diplomsko delo

Vrednotenje mejne vrednosti nepravilnosti po SIST EN 5817

Mejne vrednosti za nepravilnosti pri

stopnjah kvalitete

C B

Ni dopustno Ni

dopustno

Ni

dopustno

Ni dopustno Ni

dopustno

Ni

dopustno

s

≤ 0.3 a

Ni

dopustno

Ni

dopustno

≤ 0.3 s

vendar maks.

≤ 0.3 a

vendar maks.

d ≤ 0.2 s

vendar

maks. 2

mm

d ≤ 0.2 a

vendar

maks. 2

mm

Ni

dopustno

≤ 0.2 t Ni

dopustno

Ni

dopustno

≤ 0.2 t

vendar maks.

h ≤ 0.1 t

vendar

maks. 1

mm

Ni

dopustno

Ni dopustno Ni

dopustno Ni

dopustno

Dopustno Dopustno Ni

dopustno

Kratke

nepravilnosti:

≤ 0.2 t

vendar maks.

Ni

dopustno

Ni

dopustno


-61-

Slika 5-4: Prikaz razpoke z MWB 60-4 sondo

Napaka je bila odkrita na globini 16,45 mm (na sliki vrednost DA) in je presegala +3,8 db nad

referenčno krivuljo. Način določevanja velikosti razpoke je potekal tako, da se je poiskal

najvišji eho (slika 5-4). Ko je bila določena najvišja amplituda, je bilo potrebno pomikati

sondo levo ter desno vse dokler ni bil zaznan padec na višini 40% ekrana. Tako se je določila

velikost, ki je znašala 140 mm. Standard predpisuje, da je nivo sprejemljivosti -6 db tako, da

je zvar številka osem ovrednoten kot nesprejemljiv.


-62-

Slika 5-5: Prikaz razpoke z MWB 45-4 sondo

Slika 5-5 prikazuje isto napako pod 45° kotom na globini 14,76 mm (vrednost DA). Zaradi

različnih globin je razvidno, da je razpoka neenakomerna (stopničasta).

Slika 5-6: Primer različnih napak na radiogramu


-63-

Razpoka se smatra kot najnevarnejša napaka v zvarnem spoju. Znatno zmanjšuje nosilni

presek in čvrstočo zvarnega spoja in ravno zaradi teh faktorjev razpoke niso dovoljene. Med

obratovalnim pregledom je bilo težko ugotoviti ali je razpoka v hladnem ali vročem stanju.

Slika 5-7: Vzroki nastajanja razpoke Tabela 5.3: Zapis preiskave UGOTOVITVE Findings

LOKACIJA PREISKAVE

Testing location

NAČIN

PREISKAVE

Testig procedure

PODATKI O INDIKACIJAH

Indication data

OCENA

Evaluation

Zap

. št.

Run

n. N

o.

Zva

r/de

l/poz

.

Wel

d/p

art/

po

s.

Deb

elin

a

Th

ickn

es

Var

ilec

Wel

der

UT

sis

t. N

o.

UT

sis

t. N

o.

Sm

er s

kan.

Sca

n d

irec

t.

X s

mer

/dir

.

Y s

mer

/dir

.

Z s

mer

/dir

.

Ix

∆V

(d

B)

Zvočna

pot

So

un

d p

ath

Spr

ejem

ljivo

Acc

epta

ble

Nes

prej

em.

No

t ac

cep

tab

le

Opo

mba

Rem

ark

1. Zvar 1 25 / 1 A,B / / / / 39 / X /

2. Zvar 2 25 / 1 A,B / / / / 39 / X / 3. Zvar 3 25 / 1 A,B / / / / 39 / X / 4. Zvar 4 25 / 1 A,B / / / / 39 / X / 5. Zvar 5 25 / 1 A,B / / / / 39 / X / 6. Zvar 6 25 / 1 A,B / / / / 39 / X / 7. Zvar 7 25 / 1 A,B / / / / 39 / X / 8. Zvar 8 25 / 1 A,B 0 0 14 140 39 / X / 9. Zvar 9 25 / 1 A,B / / / / 39 / X / 10. Zvar 1 25 / 2 A,B / / / / 42 / X / 11. Zvar 2 25 / 2 A,B / / / / 42 / X / 12. Zvar 3 25 / 2 A,B / / / / 42 / X / 13. Zvar 4 25 / 2 A,B / / / / 42 / X / 14. Zvar 5 25 / 2 A,B / / / / 42 / X / 15. Zvar 6 25 / 2 A,B / / / / 42 / X / 16. Zvar 7 25 / 2 A,B / / / / 42 / X / 17. Zvar 8 25 / 2 A,B 0 0 14 140 42 / X / 18. Zvar 9 25 / 2 A,B / / / / 42 / X /


-64-

6. Zaklju ček

Industrijska ultrazvočna testiranja se uporabljajo že več kot 60 let. Je najbolj občutljiva

metoda za odrivanje nepravilnosti, vendar je potrebno vložiti veliko truda in znanja, še

predvsem pa izkušenj, da lahko samostojno upravljamo in odločamo.

Skozi diplomsko nalogo sem skušal predstaviti postopek predpriprav in same izvedbe

ultrazočne kontrole parovoda. Za lažje razumevanje sem na začetku opisal zgodovinski razvoj

postopka, fizikalne lastnosti, smernice, nato sem se opredelil na sam postopek kalibracij, kjer

sem bolj natančno predstavil kalibracijo oddaljenosti, občutljivosti in same sonde. Pomembna

se mi je zdela tudi priprava zvarnih robov, saj je za kvaliteten zvar potrebno veliko

parametrov. Sledil je praktični del izvedbe, kjer opisan potek izvajanja, podatki osnovnega

materiala ter nastavitve samega ultrazvočnega aparata. Zadnji del diplome pa je temeljil na

analizi napak in vrednotenju zaznanih nepravilnosti.

7. Seznam uporabljenih virov

[1] Kraut B.: Strojniški priročnik. Ljubljana: Littera picta, 2003.

[2] Literatura s sorodno vsebino: Knjižnica tehniških fakultet, Maribor. Univerzitetna

knjižnica Maribor.

[3] Črepinšek Ljubomir, Padežnik Gomilšek Jana Tehniška fizika: učbenik, Maribor,

Fakulteta za strojništvo 2002.

[4] Rak Inoslav: Tehnologija varjenja, 1.izdaja, Ljubljana 2008.

[5] Non destructive testing Encyclopedia: http://www.ndt.net/ndtaz/index.php?id=9.

[6] Q Techna: izobraževalni center


-65-

8. Življenjepis

Rodil sem se 17. Julija 1984 v Brežicah. Osnovno šolo sem obiskoval v Dobovi. Po končani

OŠ sem leta 1999 začel obiskovati Srednjo šolo Krško, smer elektrotehnik – elektronik. Leta

2003 sem opravil poklicno maturo in si pridobil naziv elektrotehnik – elektronik.

Isto leto sem se vpisal na Visokostrokovni študij Fakultete za strojništvo Univerze v Mariboru

in dve leti kasneje izbral smer vzdrževanje, študij pa končujem v letu 2011.

Od leta 2008 službujem na inštitutu za zagotavljanje in kontrolo kakovosti Qtechna d.o.o.


-66-

9. Priloge

PRILOGA 1 Izometrija parovoda

PRILOGA 2 Standard SIST EN 1712

PRILOGA 3 Standard SIST EN 5817


-67-

PRILOGA 1

Izometrija parovoda


-68-

PRILOGA 2



-69-

PRILOGA 3


Documents

ULTRAZVO ČNA PREISKAVA ZVAROV IN VREDNOTENJE NAPAK … · 2017. 11. 27. · »ultrazvo čni reflektoskop«. Ta na splošno velja kot prva prakti čno komercialna ultrazvo čna naprava