ANALIZA NATURII DEFECTELOR DIN PIESE FORJATE PRIN IMAGISTICA SI SPECTROSCOPIE ULTRASONICA Doctorand: Fiz. Marian Soare Îndrumator științific: Prof…. [602722]
UNIVERSITATEA POLITEHNIC Ă BUCURE ȘTI
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor
TEZA DE DOCTORAT
ANALIZA NATURII DEFECTELOR DIN PIESE FORJATE
PRIN IMAGISTICA SI SPECTROSCOPIE ULTRASONICA
Doctorand: [anonimizat]. Marian Soare
Îndrumator științific:
Prof. Dr. Fiz. Dionezie Bojin
București
2013
Cuprins xxxxxxxx Pag.
CUPRINS
NOTATII SI DEFINITII …………………………………………………………………………… Pag. 2
LISTA FIGURILOR …………………………………………………………………………………….Pag. x
1. INTRODUCERE …………… ……………………………………………………………….. Pag. 3
2. IMAGISTICA ULTRASONICA ………………………………………………………. Pag. x
2.1. Ce este Imagistica Ultrasonica. Prezentare si scurt istoric
2.2. Imagini ultrasonice de tip C-Scan
3. SPECTROSCOPIA ULTRASONICA ……………………………………………… Pag. x
3.1. Ce este Spectroscopia Ultrasonica. Prezentare si scurt istoric
3.2. Caracterizarea imperfectiunilor macrostructurale prin analiza spectrala a semnalelor ultrasonice 3.3. Caracterizarea imperfectiunilor microstructurale prin analiza spectrala a semnalelor ultrasonice. Cazul degradarii otelurilor prin atac de hidrogen la inalta temperatura
4. IMAGISTICA ULTRASONICA SPECTRALA …………………………………… Pag. x
4.1. Conceptul de Imagistica Ultrasonica Spectrala
4.2. Descrierea sistemului de Imagistica Ultrasonica Spectrala (ImUS) 4.3. Probe si defecte de referinta pentru car acterizarea performantelor sistemului ImUS
4.4. Caracterizarea rezolutiei laterale a sistemului ImUS 4.5. Caracterizarea performantelor sistemului Im US pe baza examinarii probelor cu defecte de
referinta
5. RETELE NEURONALE SI CONCEPTUL FUZIUNEII DE DATE IN EXAMINARILE
NEDISTRUCTIVE ……………………………………………………………………. Pag. x
5.1. Concepte fundamentale. Principiile aplicarii retelelor neuronale la evaluarea
indicatilor de defect 5.2. Configuratii de retele neuronale pentru procesarea semnalelor ultrasonice pag. x 5.3. Obtinerea datelor experimentale pentru antrenarea retelelor neuronale si evaluarea acuratetei de recunoastere a defectelor pag. x 5.4. Determinarea diametrului defectelor prin procesarea neuronala a
spectrelor ecourilor ultrasonice de amplitudine maxima pag. x
5.5. Procesarea neuronala a datelor spectrale ultrasonice obtinute prin scanare liniara a discontinuitatilor
– Preprocesarea datelor spectrale ultrasonice – Teste cu retele neuronale pe datele spectrale ultrasonice
5.6. Procesarea neuronala a imaginilor ultrasonice spectrale pag. x
– Preprocesarea imaginilor ultrasonice pentru testele de fuziune de date – Teste de evaluare dimensionala a defectelor artificiale pe date fuzionate
Cuprins xxxxxxxx Pag.
6. OBTINEREA DATELOR PENTRU ANALIZA NEURONALA A NATURII
DEFECTELOR DIN PIESE FORJATE ……………………………………………… Pag.28
6.1. Procedura de validare a Imagisticii Ultrasonice Spectrale ca metoda de analiza a naturii
defectelor din piese forjate 6.2. Utilizarea imaginilor ultrasonice spectrale ale discontinuitatilor investigate si Confirmate prin analize distructive pentru antrenarea retelelor neuronale si evaluarea acuratetei de recunoastere a defectelor ………………………………………………… pag. 13 6.3. Investigatii prin Imagistica Ultrasonica Spectrala a probelor prelevate din piese cilindrice forjate cu discontinuitati de tip incluziuni exogene 6.4. Investigatii prin Imagistica Ultrasonica Spectrala a probelor din piese plane forjate …………………………………………………………………………………. pag. 13
7. METODA NEURONALA DE ANALIZA NATURII DEFECTELOR DIN PIESE
FORJATE ………………………………………………………………………………… Pag.28
7.1. Arhitectura sistemului multicanal FORDIU S pentru detectia si analiza naturii
defectelor din piese forjate prin Imagistica Ultrasonica Spectrala si procesare neuronala a datelor ………………………………………………………………………pag. 13
7. CONCLUZII ………………………….. ………………………………………………………… Pag.28
REFERINTE BIBLIOGRAFICE ……………………………………………………………. Pag. 29
ANEXE
Anexa A1. Influenta largimii de banda asupra im aginilor ultrasonice ale defectelor de forme
diferite ………………..……………………………………………………………………… Pag. xx
Anexa A2. Imagini ultrasonice spectrale ale unor defecte artificiale de forme diferite uzinate
in probe metalice …………………………………………………………………………… Pag. xx
Anexa A3. Imagini ultrasonice spectrale obtinute pe defecte naturale din probe de sticla ……..
………………………………………………………………………………………………… Pag. xx
Cuprins xxxxxxxx Pag.
NOTAȚII ȘI ABREVIERI
Notatii :
Notatie
/Abrevier
e 1.1 Definiție Abreviere 1.2 Definiție
BBA Amplitudine de band ă
largă
(Broad Band Amplitude) NB Fascicol ultrasonic normal
(Normal Ultrasonic Beam)
TOF Timp de zbor
(Time of Flight) BWD Căderea ecoului de fund
(Back Wall Ultrasonic Echo Drop)
BE Ecou de fund
(Back Wall Ultrasonic Echo) PX (Y, Z) Examinare prin metoda Pitch-Catch
(transmisie) pe direc ția X, Y sau Z
(Pitch – Catch (Transmission) on direction X, Y or Z)
FE Ecou de defect
(Flaw Echo) SW-X (Y, Z) Examinare prin reflexie cu unde
transversale pe direc ția X, Y sau Z
(SW – Looking Probes on Direction X, Y or Z)
SE Ecou de suprafa ță
(Surface echo) UT Examinare ultrasonic ă
(Ultrasonic Testing)
IP Impuls de emisie
(Initial Excitation Ultrasonic Pulse) IS Suprafață de inciden ță
(Incidence Surface)
IE Ecou de interfa ță
(Interface Echo Immersion Surface) BS Suprafața care genereaz ă ecoul de
fund (Back Wall Surface)
LW Unde longitudinale
(Longitudinal Waves) WW Zona interioar ă a probei – între
pereți (Within Wall)
SW Unde transversale
(Shear Waves) FW/HWP/HWN Tip detec ție
(Detection Type)
Abrevieri:
IUS: Imagistica Ultrasonica Spectrala . Imaginile ultrasonice spectrale sunt imagini ultrasonice,
de tip C-Scan, B-Scan, etc. generate ca reprezentari ale unor caracteristici spectrale ale semnalelor ultrasonice de ecou;
SIUS: sistem (echipament) de imagistica ultrasonica spectrala;
Nuclear NDT sau NNDT: abrevierea numelui companiei S.C. Nuclear NDT Research & Services
S.R.L.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
Capitolul 1. INTRODUCERE
1.1. Problematica tezei
Controlul si certificarea calitatii pieselor forjat e de dimensiuni mari necesita caracterizarea
unei largi game de proprietati de material dintre care cele mai importante sunt: compozitia chimica,
proprietatile mecanice, proprietatile microstructurale, comportarea la coroziune, integritatea si omogenitatea structurala. Pentru caracterizarea integritatatii si omogenitatii structurale, in domeniul industrial se aplica metode de defectoscopie nedistructiva standardizate intre care examinarea ultrasonica, periferica si / sau boresonica prezinta o importanta deosebita. Astfel, in uzinele metalurgice pentru fabri catia componentelor de masini grele (rotori
generatori, rotori turbina, cilindrii de laminare, manetoane, arbori navali, etc.), un mic procent din
productia de componente grele (in mod normal, sub 1%) se rebuteaza din cauza defectelor
structurale evidentiate la controlul ultrasonic. Date fiind, insa, costurile uriase de productie ale unor astfel de componente (uneori, de ordinul milioanelor de Euro) micul procent de rebut uri are efecte financiare foarte mari. Din aceasta
cauza, evaluarea naturii defectelor structurale si , in acest mod, stabilirea cauzelor determinante si
favorizante ce conduc la aparitia acestor defecte este de un deosebit interes. In cazul multor tipuri de piese forjate de mai dimensiuni, specificatiile de fabricatie sunt
deosebit de severe, defectul minim acceptat avand dimensiuni foarte mici. De exemplu, in cazul rotorilor pentru generatori electrici, care au diam etre maxime de ordinul a 2 – 3 m, lungimi de
ordinul a 8 – 12 m si greutati de ordinul a 50 – 100 t, defectul minim acceptat este echivalent cu un
disc cu diametrul de 0,9 – 1.6 mm. Criteriile de acceptare / respingere ale discontinuitatilor
evidentiate la examinarea ultrasonica se bazeaza, in esenta, pe analiza comparativa a amplitudinii
semnalelor ultrasonice de ecou generate de aceste discontinuitati cu amplitudinea semnalelor obtinute de la defecte artificiale de referinta (de exemplu, gauri cu fund plat, gauri cilindrice, canale
rectangulare, etc.) cu dimensiuni impuse de specificatiile sau standardele de examinare. Fiind doar o analiza de amplitudine, eval uarea defectoscopica „clasica” a semnalelor
ultrasonice nu permite obtinerea unor informatii privind natura (tipul) discontinuitatilor evidentiate. Pe de alta parte, discontinuitatile / neomogenitatile structurale care produc semnale ultrasonice sunt foarte diferite ca naura si cauze de aparitie. Astfel, se obtin semnale ultrasonice de
ecou de la:
– incluziuni nemetalice exo si endogene;
– incluziuni metalice cu impedanta acustica diferita de cea a matricei;
– porozitati, retasuri / microretasuri, sufluri;
– fulgi de hidrogen;
– segregatii / microsegregatii ale elementelor de aliere;
– fisuri / microfisuri.
Aceste discontinuitati / neomogenitati de material pot produce semnale ultrasonice de amplitudini
semnificative dar, din punctul de vedere al influe ntei asupra proprietatilor mecanice de rezistenta si
tenacitate, nu toate prezinta aceslasi grad de „periculozitate”. Ca urmare, daca ar exista o metodologie nedistru ctiva, aplicabila industrial, prin care sa se
obtina informatii privind natura discontinuitatilor evidentiate prin examinare ultrasonica „clasica”
(bazata pe detectia si analiza de amplitudine), ar fi posibil ca specificatiile de produs sa impuna
criterii de acceptare / respingere diferentiate in functie de natura discontinuitatilor (de exemplu, mai
largi pentru segragatii / microsegregatii, mai severe pentru fulgi si fisuri / microfisuri). Pe de alta parte, cunoasterea naturii defectelor ar permite cu mai mare usurinta identificarea si eliminarea cauzelor tehnologice care au condus la aparitia lor, in anumite cazuri fiind chiar posibila remedierea acestor defecte prin operatii tehnologice adecvate (tratamente termice, re –
forjari, etc.) – desigur, cu mai mare eficienta d aca investigatiile privind natura defectelor se pot
Cuprins xxxxxxxx Pag.
efectua intr-un stadiu intermediar de fabricatie si nu in stadiul final, cum este cazul defectoscopiei ultrasonice „clasice”. In acest context, tema tezei de doctorat se re fera la evaluarea potentialului de aplicabilitate a
unor noi tehnici de examinare, si anume imagis tica ultrasonica si spectroscopia ultrasonica, la
analiza nedistructiva a naturii defectelor din pi ese forjate din otel. In esenta se va evalua
posibilitatea ca imagistica ultrasonica si spectroscopi a ultrasonica, aplicate independent si / sau
impreuna („imagistica ultrasonica spectrala”) sa permita obtinerea de informatii privind natura
defectelor evidentiate ultrasonic in piese forjate de mari dimensiuni. Imagistica Ultrasonica este o tehnica de gene rare a unor imagini acustice prin baleiajul
(scanarea) probei investigate cu un fascicol ultrasonic. Principiul este asemanator cu cel al microscopiei electronice de baleiaj. Pentru constructia imaginilor, se utilizeaza anumite caracteristici ale semnalului de ecou (generat de fasc icolul ultrasonic reflectat / retroimprastiat) – in
principal, amplitudinea si timpul de zbor, sau ale fascicolului transmis prin proba. Dat fiind ca in
ultimii ani s-au realizat traductori ultrasonici de imersie care permit obtinerea unor fascicole foarte
fine, cu spot de ordinul a 60 – 90 de microni si frecvente de 50 – 80 MHz, se pot obtine imagini
acustice cu rezolutii inalte care aduc, practic, imagistica ultrasonica in domeniul microscopiei
acustice. Spectroscopia Ultrasonica este o tehnica de ana liza in frecventa a semnalelor ultrasonice
care permite evidentierea modificarilor continutului spectral al pulsurilor incidente de banda larga
ca urmare a fenomenelor de interferenta intre undele elementare reflectate (imprastiate) pe
discontinuitati. Spectrul pulsului reflectat pe defect e sau transmis prin proba cu defecte capata o
structura fina, cu minime si maxime, care depinde de forma si dimensiunile defectelor. Prin
comparatia intre spectrul masurat si spectre de refe rinta (calculate sau determinate experimental) se
obtin informatii privind forma si dimensiunile reflectorilor (defectelor). Spectroscopia Ultrasonica s-a conturat ca tehni ca de invstigatie in anii ’70, articolele de
sinteza ale lui Gilmore et al. (ref. [1]) si, respec tiv, Adler et al. (ref. [2]) reprezentand, istoric,
cristalizarea metodelor de lucru, definirea limitelor, dar si a potentialului aplicatival metodei. Ulterior, Spectroscopia Ultrasonica s-a dezvo ltat semnificativ ca tehnica de analiza in
industria farmaceutica, pentru caracterizarea proprietatilor suspensiilor coloidale. Aplicatiile in defectoscopie nu au mai cunoscut un progres pe masura potentialului relevat de initiatorii
domeniului. Imagistica ultrasonica este un domeniu aparut la sfarsitul anilor ’80, cu o dezvoltare
spectaculoasa in ultimii 15 ani, atat ca urmare a cres terii exponentiale a performantelor tehnicilor de
calcul, cat si datorita progreselor remarcabile inregi strate in realizarea de traductori ultrasonici de
inalta frecventa, banda larga si inalta rezolu tie. Utilizarea unor materiale noi, cum sunt polimerii
piezoelectrici, a permis obtinerea unor traductori cu frecvente nominale de pana la 100 MHz si
banda spectrala de 30 – 50 MHz. Imagistica ultrasonica a fost implementata deja in defectoscopia industriala, de exemplu in
instalatiile de examinare ultrasonica in imersie pent ru industria auto, industria aviatica, industria
nucleara. O directie importanta a Imagisticii ultras onice, dezvoltata initial in domeniul medical si
adaptata ulterior, cu deosebit succes in defectoscopia industriale, este tehnica “Phased Array”. In tara noastra, au existat preocupari inca din anii ‘80 atat in domeniul Spectroscopiei
Ultrasonice cat si in domeniul Imagisticii Ultras onice. Astfel, autorul a dezvoltat o serie de
echipamente si a implementat tehnici specifice de examinare cu un spectru larg de aplicatii in cadrul Laboratorului de Ultraacustica al Institutului de Cercetari Nucleare de la Pitesti. Ulterior, autorul si-a continuat preocupar ile in domeniul Spectroscopiei si Imagisticii
Ultrasonice, atat ca problematica de cercetare cat si pentru dezvoltarea de noi aplicatii industriale,
in cadrul companiei “Nuclear NDT Research & Services”, pe care a fondat-o in anul 2000. Autorul nu a constatat existenta unor lucrari r ecente semnificative legate de subiectul tezei.
De asemenea, conexiunea intre Spectroscopia Ultrasonica si Imagistica Ultrasonica este un obiectiv al programului de cercetare dezvoltat in cadrul tezei.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
1.2. Obiectivele programului de cercetare in cadrul caruia s-a elaborat teza
Obiectivul principal al tezei este dezvoltar ea metodologiei pentru analiza naturii defectelor
in piese forjate prin tehnici de Imagistica Ultrasonica si de Spectroscopie Ultrasonica. In cadrul tezei, se va dezvolta si se va aplica un concept metodologic nou si anume
Imagistica Ultrasonica Spectrala, impreuna cu instrumentatia necesara. Pentru evaluarea capabilitatii tehnicilor de imagistica ultrasonica si spectroscopie
ultrasonica aplicate la analiza naturii defectelor in piese forjate, autorul va examina in laboratoarele
companiei Nuclear NDT probe prelevate din piese forjate, continand defecte de fabricatie sau
induse prin difererite metode. Investigatia fiecarei probe de acest tip va constitui un “studiu de caz”
elaborat pe baza metodologiei descrise in caitolu l 4. Studiile de caz vor fi prezentate in rapoertele
de cercetare ce vor fi elaborate pe parcursul elaborarii tezei. Pentru efectuarea lucrarilor de cercetare aferentei tezei, autorul va utiliza dotarile
laboratoarelor de examinari si analize de material ale companiei Nuclear NDT. Obiectivul prezentei lucrari este dezvoltar ea metodologiei de detectie si caracterizare a
defectelor structurale pe baza unor tehnici combinate de imagistica ultrasonica si analiza spectrala.
Lucrarea are o deosebita importanta metodologica pentru ca dezvolta si aplica sistematic
tehnicile de analiza spectrala ale Microscopiei Acustice, bazate pe conceptul de reprezentari de tip
imagine ale marimilor spectrale caracteristice pentru in teractia unda-defect. Aceasta noua conceptie in
Defectoscopia Ultrasonica Spectrala a fost initiata de Nuclear NDT si expusa pentru prima data in
referinta [11]. In noua abordare, evaluarea formei, marimii si pozitiei defectelor se bazeaza pe analiza comparativa a proprietatilor relevate de im aginile C-scan ale ampltudinii spectrale maxime,
ale frecventei de virf si largimii de banda a semn alelor de ecou, sau de reprezentarile frecventa-
pozitie ale amplitudunii spectrale, obtinute prin scan area spatiala a zonei defectului investigat.
Prezenta lucrare da un continut concret acestei noi conceptii, elaborind si aplicind sistematic o
tehnica specifica de obtinere a imaginilor spectrale . Pe aceasta baza, s-au analizat proprietatile
spectrale ale unor clase largi de defecte de refe rinta, ce prezinta un interes maxim pentru analiza
naturii defectelor din piese forjate.
Plecand de la principiul complementaritatii examin arilor ultrasonice si de curenti turbionari,
lucrarea extinde noua conceptie a reprezentarilor de tip imagine a semnalelor defectoscopice la
procesarea datelor de curenti turbionari. In acest nou cadru conceptual, tehnicile de analiza a datelor
se schimba fundamental, punind accentul pe proprietatile de corelatie a semnalelor in zonele cu indicatii de defect si nu pe proprietatile individua le ale unor semnale particulare. Prezenta lucrare
face primii pasi in acest domeniu al examinarilor de curenti turbionari bazate pe imagini ale
defectelor si nu pe semnale individuale.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
Capitolul 2. IMAGISTICA ULTRASONICA
2.1. Ce este Imagistica Ultrasonica. Prezentare si scurt istoric
2.2. Imagini ultrasonice de tip C-Scan
Cuprins xxxxxxxx Pag.
3. SPECTROSCOPIA ULTRASONICA
3.1. Ce este Spectroscopia Ultrasonica. Prezentare si scurt istoric
Cuprins xxxxxxxx Pag.
3.2. Caracterizarea imperfectiunilor macrostructurale prin analiza spectrala a semnalelor
ultrasonice
Examinarea ultrasonica bazata pe analiza spectrala are drept scop detectia si caracterizarea
dimensionala si morfologica a defectelor foarte mici sau a neomogenitatilor microstructurale aparute la fabricatia componentelor sau in timpul functionarii acestora, prin analiza spectrala a semnalelor ultrasonice de radiofrecventa asociate propagar ii unui puls incident de banda larga, in proba
examinata. Metodele uzuale de generare a ultrasunetelor in defectoscopia US se bazeaza pe excitarea prin
soc electric a unui monocristal sau policristal piezoel ectric: elementului piezoelectric al traductorului
de ultrasunete i se aplica un impuls electric, de obicei negativ, cu amplitudi nea de 200-500V si front
1/4f
0, f0 fiind frecventa de rezonanta a elementului pi ezoelectric, in conditiile de cuplaj electric si
acustic specifice traductorului dat. Daca impulsul de excitare are un continut spectral suficient de larg, atunci are loc un transfer rezonant de energie dupa caracteristica amplitudine-fr ecventa a traductorului. Ca urmare, in mediul
cuplat acustic cu suprafata activa a traductorului, se emite un puls ultrasonor de banda larga, al carui
continut spectral este dependent de amortizarea electrica si mecanica a traductorului.
In domeniul timp, acest puls poate fi reprezentat prin forma analitica:
)] ( 2cos[ )( )( tftf tate
o E ( 1 )
unde a E(t) reprezinta modulatia in amplitudine a pulsulu i (diferita de zero numai intr-un interval
[t1,t2]), iar:
) ( 2)( tftf to ( 2 )
reprezinta faza pulsului emis de traductor.
Dupa interactiunea pulsului e(t) (incident) cu sistemul de interes (mediu de cuplaj/propagare, defect structural, reflector de geometrie data, etc.), pulsul rezultat r(t) poate fi receptionat de acelasi
traductor (tehnica ,,prin retro-reflexie” / retroimprastiere / backscattering) sau de un traductor diferit (tehnica ,,prin transmisie” sau tehnica “pitch-catch”). Acest proces este reprezentat schematic astfel:
Impuls
excitare
Traductor
emitator
Mediu
cuplaj
Sistemul
examinat
Mediu
cuplaj
Traductor
receptor
Zgomot
Semnal
fizic
x(t) e(t) m(t) u(t) m(t) r(t) n(t) y(t)
Conform teoriei filtrelor liniare, semnalul fizic la iesire y(t) va fi dat de convolutia:
)()()()()()()( )( tntrtmtutmtetxty (3)
a carei transformata Fourier este:
f 2= , )( )()()( )()( )(2 N U R M E X Y (4)
In cazul nostru, sistemul de interes se refera la componente din otel obtinute prin forjare,
functia de transfer U( ) fiind dependenta de:
I) microstructura policristalina (starea metalurgica, constituenti structurali); II) dimensiunile, forma, or ientarea si densitatea defectelor structurale (incluziuni,
microfisuri, segregatii, etc.);
III) anizotropia indusa de procesele de deformare si tratamentele termice specifice
procesului de fabricatie
Experimental, scopul analizei spectrale este detreminarea functiei de transfer U( ) din
transformata Fourier a semnalului fizic Y( ). Teoretic, se urmareste calculul functiei U( ) pentru
modele de interactie specifice conditiilor I, II si III.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
Asadar, principiul analizei spectrale in defect oscopia US se bazeaza pe "iradierea" defectului
cu un puls ultrasonor de banda de frecventa cit mai la rga si analiza continutului spectral al pulsului
imprastiat pe defectul respectiv.
Este important de subliniat ca evaluarea defectului prin tehnicile analizei spectrale este
independenta de amplitudinea pulsului imprastiat pe defect (a ecoului), ceea ce deosebeste
fundamental tehnicile spectroscopiei ultrasonice de defectoscopia clasica (,,de amplitudine”), bazata, in esenta, pe diagrame de tip DGS / AVG sau DAC. Prin aceasta observatie dorim sa subliniem ca analiza spectrala face posibila, in principiu, evaluar ea defectelor foarte mici, atunci cind defectoscopia
de amplitudine conduce la rezultate contradictorii.
In cazul aplicatiilor de tip imagistica ultrasoni ca, se impune dezvoltarea unei metode de
analiza spectrala bazata pe utilizarea unui singur traduc tor, atat pentru "iradierea" defectului cat si
pentru receptia fascicolului imprastiat.
Ca exemplu de aplicatie a analizei spectrale in defectoscopia ultrasonica, vom discuta, in cele
ce urmeaza, o tehnica de evaluare a dimensiunilor si orientarii unui reflector de tip disc disc, prin
analiza spectrala la unghiuri mici de incidenta. Te hnica discutata mai jos se aplica atunci cind forma,
dimensiunile si orientarea defectului determina un efect de interferenta care produce maxime si
minime in spectrul pulsului imprastiat. In aces t caz, masurand frecventele a doua minime de
interferenta din spectrele obtinute pentru doua pozitii date traductor-defect, se pot determina marimea
si orientarea defectului [11]. Cand traductorul emitator T radiaza unde de presiune acustica asupra unui reflector (de
exemplu, defect de referinta) de tip disc de raza a, aflat in planul yOz. Unda acustica imprastiata de
acest reflector si receptionata de traductorul R, are expresia ([3], [4]):
)] ( exp[)] sin (sin/) sin (sin[[2 / ),,,(2 1 2 1 1 21 2 21 1 krti ka kaJ rrA r rp (5)
unde k = / v este modulul vectorului de unda, A este factorul amplitudine iar J 1 = J 1(X) este
functia Bessel de ordinul 1. Unghiurile 1 si 2 se masoara in sens trigonometric direct, pornind de la
axa x.
Cand 1= -2, presiunea acustica este maxima; acest caz corespunde reflexiei speculare pe
defect. In teoria functiilor de directivitate se arata ca argumentul X = ka (sinq 1 + sinq 2) este acelasi
pentru campul indepartat imprastiat de reflectori foarte diferiti: dipoli, multipoli, reflectori liniari sau inelari [2]. Experimental, sint importante valorile argumentului ce corespund minimelor f
m ale
raspunsului in frecventa. In cazul expresiei (5), acestea corespund zero-urilor x m ale functiei Bessel:
m L m X vaf ) sin (sin)/ 2(2 1 ( 6 )
unde v L este viteza de faza, in cazul nostru, pentru unde longitudinale.
Daca se lucreaza cu un singur traductor emitator/receptor, ecuatia (6) devine:
m L m X vaf sin)/ 4( ( 7 )
unde = 1 = 2 este unghiul dintre axa fasciculului emis (a xa traductorului) si normala la suprafata
discului. Presupunem ca traductorul TR se poate monta la di ferite distante de offset h (fig.2). In acest
caz, in geometria de examinare a tubului de presiune, unghiul va fi unghiul dintre axa fasciculului
refractat si directia radiala. Ca urmare, relatia (7) devine:
m m L m f X f v fa / ) sin 4/()( ( 8 )
unde:
) / arcsin)]/()/[ sin(arcsin sin Rh Rh vvo L (9)
Asadar, determinind valoarea minimului (despicar ii) din spectrul ecoului de defect, se poate
determina, raza defectului, conform relatiei (8).
Pe de alta parte, din relatia (8) se vede ca la unghiuri si frecvente mari, frecventa minimului
spectral nu mai depinde de dimensiunea defectului. As adar, pentru un interval dat de dimensiuni de
defect, exista un interval spectral optim pentru obtinerea unei despicari spectrale.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
3.3. Caracterizarea imperfectiunilor microstructurale prin analiza spectrala a semnalelor
ultrasonice. Aplicatie la detectia si e valuarea degradarii otelurilor prin atac de hidrogen la
temperaturi ridicate
i
iR T
O O2
1r1'
Z T = ( r1, 1,0 )
R = ( r 2, 2, 0 ) Y
Xr1
r2'
r2
Fig.3.3. Sistemul de coordonate pentru calc ulul imprastierii undelor ultrasonice pe
un defect in planul yOz
Fig. 3.4. Geometria de examinare ultrasonica a tubului de presiune cu unde lon gitudinale la
incidenta oblica sub unghi mic ( 1 L , unde L 18o este unghiul critic pentru unde
longitudinale la interfata apa – proba h r
Cuprins xxxxxxxx Pag.
In cazul in care sistemul examinat este afect at prin actiunea unuia sau mai multor mecanisme
de degradare (coroziune, fluaj, oboseala, etc.) semnalul ultrasonic u(t) si, prin urmare, semnalul fizic
y(t), vor suferi modificari mai mici sau mai mari datorate interactiunii undelor ultrasonore cu
imperfectiunile aparute. Aceste modificari vor c ontine, in consecinta, informatii privind natura,
localizarea si extensia degradarii suferite de sistemul examinat.
In mod obisnuit, in stadiile incipiente ale m ecanismelor de degradare, actiunea acestora se
manifesta la nivel microstructural, fara apar itia unor semnale ultrasonice (ecouri) distincte.
Semnalul ultrasonic este afectat prin cresterea at enuarii, scaderea vitezei de propagare, apritia unor
semnale de retroimprastiere difuza de foarte mica amplitudine, asociate in mod obisnuit asa-
numitului zgomot de material (“iarba” ultrasonica). Semnalul fizic util pentru analiza degradarii microstructurale poate fi chiar zgomotul de material, sau ecoul obtinut la reflexia pe suprafat a opusa celei de incidenta, fie la incidenta normala
(caz in care ecoul este receptionat chiar de traduc torul emitator), fie la incidenta oblica (tehnica
“pitch – catch”, in care ecoul este receptionat de un alt traductor, aflat in conditie de reflexie). Unul din mecanismele de degradare
Atacul de hidrogen la temperatura inalta a otelurilor (“High Temperature Hydrogen Attack”
– HTHA) este un fenomen de degradare ce apare in sp ecial la oteluri carbon nealiate sau slab aliate
fara Cr, la presiuni partiale de hidrogen mari si temperaturi ridicate. Sunt doua reactii ce conduc la
acest mecanism de degradare:
– mai intai, hidrogenul molecular se disociaza in hidrogen atomic, care are o rata de difuzie
mare in otel;
– a doua reactie este intre hidrogenul atomic si car burile din structura otelului, cu generarea de
metan.
Aceste reactii produc, pe de o parte, decarburarea in terna a otelului, iar pe de alta parte, prin
acumularea metanului in microgoluri situate in speci al la limita de graunte, determina aparitia de
microfisurari prin ruperea puntilor de materi al dintre microgoluri (fig. 6.4-1 si 6.4-2).
Fig. 3.3-1. Voiduri cu metan la limita de graunte, cauzate
de atacul de hidrogen (ref. [5]) Fig. 3.3-2. Fisuri intergranulare
cauzate de atacul de hidrogen (ref.[5])
Exista trei stadii de evolutie a atacului de hidrogen (ref. [3]):
– Stadiul 1 , incipient, de incubatie, in care materi alul este saracit in carbon, gazul metan
generat prin reactia cu hidrogenul fiind acumulat gradual in microgoluri din ce in ce mai numeroase si mai mari, situate preponderent la limita de graunte (fig. 6.4-1);
Cuprins xxxxxxxx Pag.
– Stadiul 2 , in care, in jurul microgolurilor cu metan, incep sa se dezvolte microfisuri. In
acest stadiu, proprietatile mecanice ale materialului se daterioreaza rapid;
– Stadiul 3 , in care microfisurile se unesc si determin a aparitia fisurilor intergranulare
(fig. 3.3-2). Acesta este stadiul final, in care se poate produce cedarea componentei afectate.
Sigurul stadiu cu evolutie predictibila a procesului este stadiul 1 , de incubatie. La
temperaturi ridicate, hidrogenul reactioneaza cu carbonul formand metan la limita de graunte si in incluziuni. Aparitia metanului conduce la decarburarea otelului, urmata de aparitia de microfisuri si
microgoluri, cu consecinte severe asupra rezistentei mecanice si tenacitatii.
Factorii care determina sau influenteaza atacul de hidrogen sunt: temperatura, presiunea
partiala de hidrogen, continutul elementelor de alie re din otel, microstructura otelului, nivelul de
tensiuni, tratamentul termic post – sudare, durata de functionare.
Zonele susceptibile la atac de hidrogen sunt zonele in care temperatura si presiunea partiala de
hidrogen se situeaza deasupra curbei Nelson corespunzatoare otelului respectiv (Anexa A1), cu precadere zonele afectate termic ale sudurilor (in special in cazul sudurilor fara tratament termic post-sudare), zonele cu nivel ridicat de tensiuni, zonele de sub placari fisurate, coturile – in cazul conductelor. Standardul API 941 (ref. [5]) sinteti zeaza datele raportate referitoare la comportarea in
exploatare a instala țiilor industriale in care s-au constatat cedari prin mecanismul atacului de
hidrogen. Scopul acestui standard este de a stabili, pe o baza mai mult sau mai putin empirica, limite practice de func ționare pentru oteluri carbon slab aliate utilizate în instalatiile industriale in
conditii de temperatura si de presiune partiala de hidrogen in care se poate manifesta atacul de hidrogen. Aceste limite sunt definite de asa – numitele curbe / diagrame Nelson, dupa numele celui care le-a construit pentru prima data, in 1949.
Domeniul caracteristic de temperatura pentru declansarea atacului de hidrogen este 290°C ÷
560°C, iar domeniul tipic de presiuni partiale de hidrogen este intre 1 si 20 MPa.
Exemple de procese tehnologice in care se intrunesc conditii favorabile acestui mecanism de
degradare sunt: hidrotratarea, cracarea, obtinere amoniac, metanol sau alcooli superiori.
Materiale cu rezistenta imbunatatita la atacul de hidrogen sunt otelurile carbon slab aliate cu Cr
si Mo. S-a constatat ca:
– Mo confera o rezistenta la atacul de hidrogen de ~ patru ori mai accentuata decat Cr, la
acceasi concentratie;
– efectul Mo este similar cu efectul V, Ti sau Nb pana la concentratii de 0.1 %; – Si, Ni si Cu nu cres rezistenta la atac de hidrogen; – P si S micsoreaza rezistenta la atac de hidrogen. Multe echipamente sub presiune (recipiente si conducte) utilizate in procese tehnologice de
tipul celor mentionate mai sus ca intrunind conditii de declansare a atacului de hidrogen sunt realizate din oteluri de tip C – 0.5%Mo si Mn – 0.5%Mo cum este si marca marca WSB 62 din care
sunt fabricate virolele reactorelor 125R1 si R2. Di n acest motiv, curba Nelson pentru otelurile de tip
C – 0.5%Mo si Mn – 0.5%Mo a fost inclusa intial (pana in 1990) in diagramele din standardul API 941. Ulterior, s-a constat insa ca otelurile cu ~ 0,5 % Mo nu respecta intotdeauna curba Nelson, fiind semnalate numeroase cazuri de atac de hidrogen in conditii de functionare situate deasupra curbei (mentionate in API 941 incepand din 1983).
Din aceasta cauza, curba Nelson pentru oteluri de tip C – 0.5%Mo si Mn – 0.5%Mo a fost
eliminata, incepand cu editia 1990, din diagramele Nelson publicate in API 941. Aceasta curba apare, totusi (din ratiuni istorice – “for histori cal purposes”) intr-un apendix separat in care sunt
fugurate toate cazurile cunoscute de API de rezist enta sau cedare la atac de hidrogen (fig. A1.2)
pentru echipamente fabricate din oteluri cu ~ 0,5 % Mo.
Incepand cu editia 1990, in API 941 se recomanda ca aprecierea susceptibilitatii la atac de
hidrogen a otelurilor cu ~ 0,5 % Mo sa se faca in raport cu diagrama Nelson pentru otel carbon, pana cand se vor elucida cuzele abaterilor constatate si se vor stabili noi limite si conditii pentru aceste tipuri de oteluri.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
In studiul sau sintetic din anul 2000 (ref. [6 ]), Prescott evidentiaza efectul important al
continutului de impuritati, al rutelor tehnologice de fabricatie si al tratamentelor termice aplicate materialului de baza si sudurii asupra obtinerii unor forme stabile de carburi care confera otelurilor cu ~ 0,5 % Mo o rezistenta crescuta la atacul de hidrogen. Astfel, s-a constatat ca obtinerea unei microstructuri optime, cu faze stabile de carburi, presupune respectarea urmatoarelor conditii:
– pentru materialul de baza: normalizare la ~ 920
0C, urmata de revenire la 650 – 675 0C; nu se
recomanda utilizarea tablelor realizate prin roluire / laminare la cald;
– pentru suduri: efectuarea tratamentului termic postsudare la ~ 650 0C.
Uneori, atacul de hidrogen este confundat cu mecanismul de blistering si fisurare provocat de
hidrogenul sulfurat (H 2S) umed. In fapt, mecanismul de degradare provocat de hidrogenul sulfurat
umed se deosebeste fundamental de atacul de hidrogen. Pezenta H2S umed conduce la formarea de blisteri in materialul de baza atunci cand temperatura este sub ~ 200°C si concentratia de H2S este peste 200 ppm. Intrucat volumul specific al hidrurilor ce formeaza blisterii este mai mare decat volumul specific al metalului de baza, in jurul blisterilor se dezvolta tensiuni interne care conduc la aparitia de fisuri ce pot fi puse in evidenta prin metodele uzuale standardizate de defectoscopie ultrasonica. Din aceasta cauza, confuzia atac de hidrogen – blistering poate determina o alegere eronata a metodelor de examinare nedistructiva, dat fiind ca atacul de hidrogen nu poate fi evidentiat prin examinare defectoscopica uzuala cu fascicol normal sau unghiular. Fisuri detectabile prin examinare ultrasonica uzuala apar numai in stadii avansate ale atacului de hidrogen. In Anexa A.1 sunt prezentate diagramele Nelson (fig. A1.1) preluate din editia 2004 a standardului API 941 (conform ref. [7]), impreuna cu familii de curbe asociate diagramelor Nelson, curbe ce evidentiaza influenta continutului echivalen t de Mo (fig. A1.2 si A1.3) si, respectiv, durata
pana la initierea atacului de hidrogen in oteluri de tip C-0.5% Mo (fig. A1.4), conform ref. [5].
In practica uzuala, la stabilirea zonei de functionare pe diagramele Nelson se considera o toleranta in temperatura mantalei de ±10°C. Evaluarea riscului la atac de hidrogen este c onsiderata o parte esentiala a procesului RBI in
cazul echipamentelor ale caror bariere metalice de presiune lucreaza la temperaturi ridicate, in mediu de hidrogen.
Pentru a evalua susceptibilitatea unui otel de a fi afectat prin atac de hidrogen la temperatura
inalta, se poate utiliza ecuatia factorului P
v (API RP 581- ref. [4]), care defineste functii implicite de
temperatura maxima de lucru T[°C], presiunea partiala de hidrogen P H2 [bar] si durata de
functionare in conditiile considerate, in [ore].
In aceasta ecuatie, durata de functionare este asimilata cu perioada predictibila – de
incubatie a atacului de hidrogen, adica perioada stadiului 1 al acestui fenomen, in care metanul generat prin reactia hidrogen – carbon se acumuleaza in goluri la limita de graunte pana in momentul in care in jurul microgolurilor incep sa apara microfisuri.
Astfel, ecuatia factorului Pv defineste durata de incubatie ca functie implicita de
temperatura maxima de lucru T [°C] si de presiunea partiala de hidrogen P
H2 [bar].
Factorul P v este caracteristic unui material dat avand o anumita compozitie chimica si stare
metalurgica. Odata stabilit acest factor, se determina susceptibilitatea la atac de hidrogen HTHA a tipului de
otel considerat, pe baza incadrarilor in intervalele specificate in tabelul 20.3 din API RP 581 (ref. [4]).
Metodele de examinare nedistructiva pentru detectia si evaluarea stadiului atacului de
hidrogen, validate de experienta acumulata in ultimele decenii, sunt (ref. [5], [7] si [8]):
– Analiza in timp si frecventa a radiatiei u ltrasonice retroimprastiate (Advanced Ultrasonic
Backscattering Testing (AUBT) / Advanced Backscatter Spectral Analysis (ABSA));
– Analiza metalografica prin tehnica replic ilor (Replication Metallographic Analysis)
corelata cu determinarea duritatii;
– Examinarea cu pulberi magnetice fluorescen te (Wet Fluorescent Magnetic Particle
Testing).
Cuprins xxxxxxxx Pag.
Tehnica AUBT se bazeaza pe analiza in timp si frecventa a semnalelor A-scan datorate
imprastierii undelor ultrasonice de frecventa ridicata pe microdiscontinuitatile de tip microgoluri sau microfisuri aparute in material, in special la limita de graunte, ca urmare a actiunii hidrogenului absorbit prin difuzie.
Figura 6.1-1 ilustreaza schematic efectul retroimprastierii ultrasonice in cazul examinarii cu
fascicul normal, de la exterior, a peretelului metalic al unui recipient supus atacului de hidrogen. Se evidentiaza semnalele A-scan de tip „zgomot de material” aparute inainte de ecoul de fund, in zona de material afectata de hidrogen.
Efectul retroimprastierii consta nu numai in aparatia acestui zgomot de material cu un
pattern specific, dar si in atenuarea suplimentara a ecoului de fund, in special prin eliminarea / filtrarea frecventelor inalte din spectrul acestuia.
Desigur, sunt si alte mecanisme de interactiune a undelor ultrasonice cu microstructura
materialului care conduc la efecte similare (imprastierea pe limitele de graunte in cazul unui agregat policristalin mai grosier in raport cu lungimea de unda, imprastierea pe benzile de segregatii ale elementelor de aliere, imprastierea pe microporozitati sau microretasuri etc.).
Din aceasta cauza, pentru interpretarea corect a a rezultatelor obtinute prin tehnica AUBT,
sunt necesare date privind microstructura de fa bricatie a materialului recipientului examinat,
respectiv semnale A-scan de referinta obtinute inai nte de intrarea in exploatare a recipientului.In
lipsa acestora, este necesar sa se efectueze examinari de referinta prin tehnica AUBT, de preferinta cu acelasi echipament si traductori, in zonele r ecipientului ce nu pot fi afectate de atacul de
hidrogen (de exemplu, zone cu temperaturi scazute ce fac improbabil atacul de hidrogen).
Tehnica AUBT (Advanced Ultrasonic Backscattering Testing) se bazeaz ă pe analiza în timp
și frecvență a semnalelor A-scan datorate împr ășitierii undelor ultrasonice de frecven ța ridicată pe
microdiscontinuit ățile de tip microgoluri sau microfisuri ap ărute în material, în special la limita de
grăunte, ca urmare a ac țiunii hidrogenului absorbit prin difuzie.
Fig. 1 ilustreaz ă schematic efectul retroîmpr ăștierii ultrasonice în cazul examin ării cu
fascicul normal, de la exterior, a peretelului meta lic al unui recipient supus atacului de hidrogen. Se
evidențiază semnalele A-scan de tip „zgomot de material” ap ărute înainte de ecoul de fund, în zona
de material afectat ă de hidrogen. Efectul retroîmpra știerii consta nu numai în apara ția acestui
zgomot de material cu un pattern specific, dar și în atenuarea suplimentar ă a ecoului de fund, în
special prin eliminarea / filtrarea frecven țelor înalte din spectrul acestuia (Fig. 2).
În Fig. 2 este prezentat ă tehnica AUBT cu analiz ă spectrală a ecoului de fund. Împr ăștierea
undelor ultrasonice pe microdiscontinuitati determin ă diminuarea frecven țelor înalte din spectru. Ca
urmare, compara ția spectrelor ecourilor de fund normate la valoarea maxim ă dintr-o zon ă neafectat ă
(luată ca referin ță) ș
i, respectiv, dintr-o zon ă afectată de atacul de hidrogen arat ă o atenuare a
frecvențelor înalte în ultimul caz. Diferen ța spectrelor este o m ăsură a acestei atenu ări, în direct ă
corelație cu densitatea microdiscontinuit ăților generate de atacul de hidrogen fiind, prin urmare, o
măsură a severității acestui mecanism de degradare microstructural ă.
Este cunoscut c ă există și alte mecanisme de interac țiune a undelor ultrasonice cu
microstructura materialului care conduc la efecte similare (împr ăștierea pe limitele de gr ăunte în
cazul unui agregat policristalin mai grosier în raport cu lungimea de und ă, împrăștierea pe benzile
de segrega ții ale elementelor de aliere, împr ăștierea pe microporozit ăți sau microretasuri etc.).
Din acesta cauz ă, pentru interpretarea corect ă a rezultatelor ob ținute prin tehnica AUBT,
sunt necesare date privind microstructura de fabrica ție a materialului recipientului examinat,
respectiv semnale A-scan de referin ță obținute înainte de intrarea în exploatare a recipientului. În
lipsa acestora, este necesar s ă se efectueze examin ări de referin ță prin tehnica AUBT, de preferin ță
cu același echipament și traductori, în zonele recipientului ce nu pot fi afectate de atacul de
hidrogen (de exemplu, zone cu temperaturi sc ăzute ce fac improbabil atacul de hidrogen).
Cuprins xxxxxxxx Pag.
a)
b)
c)
d)
Fig. 2 . Ilustrarea tehnicii AUBT cu analiza spectral ă a ecoului de fund. Semnalul de referin ță
(“zona rece”) provine dintr-o zon ă neafectat ă de atacul de hidrogen
Tehnica AUBT se poate aplica atât prin examinar ea cu unde longitudinale – fascicul normal
cu traductor mono sau dublucristal, cât și prin examinarea cu unde transversale – fascicul înclinat,
E-R cu doi traductori în tandem sau cu un singur traductor dublu-cristal.
Examinarea cu unde transversale – fascicul înclinat este util ă pentru caracterizarea atacului
de hidrogen în cordoanele de sudur ă și zona afectat ă termic (ZIT).
Frecvența minimă de la care s-a constatat c ă atacul de hidrogen afecteaz ă de o manier ă
măsurabilă conținutul spectral al ecourilor este de ~ 4 MHz. În cazul undelor transversale, atenuarea
spectrală este mai pronun țată atât datorit ă retroîmpr ăștierii mai puternice a acestui tip de unde cât și
datorită faptului c ă, la aceeași frecvență, lungimea de und ă a oscilațiilor transversale în o țel este mai
mică decât în cazul undelor longitudinale.
Examinarea reactoarelor 125 R1 și R2 la inspec ția din Octombrie 2011 s-a efectuat cu
traductor cu fascicul normal cu frecven ță nominală de 10 MHz și bandă largă, KB AEROTECH
Cuprins xxxxxxxx Pag.
ALPHA HP 10MHz/0.25”. Diametrul efectiv al fasciculului ultrasonic la suprafa ța de examinare
este de ~ 6 mm.
Parametrii și condițiile de examinare aplicate la m ăsurătorile prin tehnica AUBT efectuate la
pe cele dou ă reactoare sunt specificate în tabelul de mai jos:
Traductor Amplificare
[dB] Filtru Frecvența
[MHz] Amortizare Frecvența de
repetitive
[KHz] Amplitudine
impuls-emisie
KB
AEROTECH
ALPHA HP
10MHz/0.25”
Seria: D07654 AMP =
90%SH FT = 0 BB = 10 DMP = min FR = 1 HI
Fig. 3.1-1. Ilustrarea schematica a retroimprastierii undelor ultrasonice pe microdiscontinuitati din
material, in cazul examinarii cu traductor normal (ref. [7])
Tehnica AUBT se poate aplica atat prin examin area cu unde longitudinale – fascicul normal
cu traductor mono sau dublucristal, cat si prin examinarea cu unde transversale – fascicul inclinat, E-R cu doi traductori in tandem sau cu un singur traductor dublu-cristal.
Examinarea cu unde transversale – fascicul inclinat este utila pentru caracterizarea atacului
de hidrogen in cordoanele de sudura si zona afectata termic (ZIT).
In Fig. 6.1-2, este prezentata tehnica AUBT cu analiza spectrala a ecoului de fund.
Imprastierea undelor ultrasonice pe microdiscontinuitati determina diminuarea frecventelor inalte din spectru.
Ca urmare, comparatia spectrelor ecourilor de fund normate la valoarea maxima dintr-o
zona neafectata (luata ca referinta) si, respectiv, dintr-o zona afectata de atacul de hidrogen arata o
atenuare a frecventelor inalte in ultimul caz. Diferenta spectrelor este o masura a acestei atenuari, in directa corelatie cu densitatea microdiscontinuitatilor generate de atacul de hidrogen fiind, prin urmare, o masura a severitatii acestui mecanism de degradare microstructurala. Ecoul de
fund Inpulsul initial
Semnale datorate retroimprastierii
Cuprins xxxxxxxx Pag.
Frecventa minima de la care s-a constatat ca atacul de hidrogen afecteaza de o maniera
masurabila continutul spectral al ecourilor este de ~ 5 MHz. In cazul undelor transversale, atenuarea spectrala este mai pronuntata atat datorita retroimprastierii mai puternice a acestui tip de unde cat si datorita faptului ca, la aceeasi frecventa, lungimea de unda a oscilatiilor transversale in otel este mai mica decat in cazul undelor longitudinale.
Examinarile s-au efectuat prin metoda retroimprastierii ultrasonice cu analiza spectrala,
recunoscuta in literatura de specialitate ca fiind metoda cu cel mai ridicat grad de confidenta pentru detectia si caracterizarea atacului de hidrogen (ref. [2], [3]).
Examinarea s-a efectuat cu un traductor cu fascicul normal, frecventa nominala de 10 MHz,
banda spectrala larga si diametrul efectiv de ~ 6 mm.
Pentru excitatia traductorului si receptia semnalelor ultrasonice s-a utilizat defectoscopul de
inalta rezolutie USIP 12 (cu banda spectrala de 25 MHz). S-a lucrat cu ecourile de radiofrecventa (RF) a caror achizitie s-a efectuat cu un osciloscop digital Tektronix cu banda de 100 MHz. Pentru analiza spectrala, se utilizeaza rutinele de transformata Fourier ale unui program specializat.
Parametrii si conditiile de examinare pentru masuratorile prin tehnica AUBT efectuate pe
cele doua reactoare sunt specificate in tabelul de mai jos:
Tabel nr. 3.3-1
Traductor Amplificare
[dB] Frecventa
[MHz] Amortizare Frecventa de
repetitie
[KHz] Amplitudine
impuls-emisie
KB
AEROTECH
ALPHA HP
10MHz/0.25”
Seria: D07654 – 80 dB ptr. grosimi de 36 mm;
– 84 dB ptr. grosimi de 60 mm;
– 86 dB ptr. grosimi de 70 mm;
BB = 10
(Broad
Band) DMP = min FR = 1 HI
Schema bloc a echipamentului utilizat este prezentat ă în figura 3. Pentru excita ția
traductorului și recepția semnalelor ultrasonice s-a utilizat defectoscopul de înalt ă rezoluție USIP
12 (cu banda de 25 MHz). S-a lucrat cu ecourile de radiofrecven ță (RF) a căror achizi ție s-a
efectuat cu un osciloscop digital Tektronix cu banda de 100 MHz.
Pentru analiza spectral ă, se utilizeaz ă un program a c ărui interfa ță este prezentat ă în figura
4. Programul calculeaz ă și afișează următoarele mărimi spectrale care permit analiza comparativ ă a
semnalelor din diferite zone:
– frecvența corespunz ătoare amplitudinii maxime a transformatei Fourier F max pentru semnalul
analizat și semnalul de referin ță;
– lărgimea de band ă la semi-în ălțime (-6dB) L banda 50%SH pentru semnalul analizat și semnalul
de referin ță;
– diferența D dintre valorile F max ale semnalului analizat și semnalului de referin ță;
Pentru compara ția grafică a semnalelor, transformatele Fourier se normeaz ă la valoarea
maxima a amplitudinii.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
Fig. 3.3-5 . Schema bloc a echipamentului AUBT
utilizat de Nuclear NDT:
1) Piesa examinat ă – manta reactor;
2) Traductor – KB AEROTECH ALPHA HP
10MHz/0.25”;
3) Defectoscop – Krautkramer USIP 12;
4) Osciloscop – Tektronix TDS 3021B;
5) Computer achizi ție date – Laptop HP.
Pentru analiza spectral ă, se utilizeaz ă un program a c ărui interfa ță este prezentat ă în figura
4. Programul calculeaz ă și afișează următoarele mărimi spectrale care permit analiza comparativ ă a
semnalelor din diferite zone:
– frecvența corespunz ătoare amplitudinii maxime a transformatei Fourier F max pentru semnalul
analizat și semnalul de referin ță;
– lărgimea de band ă la semi-în ălțime (-6dB) L banda 50%SH pentru semnalul analizat și semnalul
de referin ță;
– diferența D dintre valorile F max ale semnalului analizat și semnalului de referin ță;
Pentru compara ția grafică a semnalelor, transformatele Fourier se normeaz ă la valoarea
maxima a amplitudinii.
S-au efectuat examin ări ultrasonice prin metoda AUBT cu analiza spectrala pe suprafe țele
exterioare ale reactoarelor, în zonele marcate în Fig. A1.3 – Anexa 1. Aceste zone corespund celor cu temperatura mare și, respectiv, zonelor de referin ță cu temperaturi normale de func ționare în care
s-au efectuat examin ări ultrasonice prin metoda AUBT în func ționare.
Scopul examin ărilor a fost eviden țierea de semnale caracteristice pentru retroîmpr ăștiere
ultrasonic ă pe microgoluri acumulate la limita de gr ăunte sau microfisuri ap ărute ca urmare a unui
eventual atac de hidrogen.
În Fig. 5 sunt reprezentate semnale spectrale tipice ob ținute în zonele cu temperatura mare
și, respectiv, în zonele de referin țe (material de baz ă). Se constata c ă, atât în cazul reactorul 125
R1, cât și în cazul reactorului 125 R2, transformatele Fourier ale semnalelor din zona cald ă și
respectiv din zona de referin ță sunt similare, ceea ce arat ă că nu se eviden țiază efecte de
retroîmpr ăștiere ultrasonic ă pe microdefecte generate de un eventual atac de hidrogen.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
a) proba de referinta 1
b) proba de referinta 2
Fig. 3.3-6 . Semnale spectrale tipice ob ținute în zona cu temperatura mare investigata și respectiv
în zona de referin ță
Fig. 6.3.3-2. Semnale spectrale tipice obtinute obtinute pe zona cu atac de hidrogen, in comparatie cu
zona de referinta
Rezultatele masuratorilor AUBT prezentate mai sus arata ca spectrul ecoului de fund
determinat pe componenta “teava” a racordului R1 este deplasat semnificativ spre frecvente joase in cazul reactorului 125R1 la care s-au inregistrat temperaturi ridicate, in comparatie cu reactorul 125R2 la care temperaturile racordului sunt joase. Aceasta deplasare spre frecvente mici a maximului spectral, insotita de ingustarea largimii de banda, se datoreaza atenuarii frecventelor
Cuprins xxxxxxxx Pag.
mari din spectrul ecoului de fund sub efectul de retroimprastierii pe microdefecte generate de un
atac de hidrogen incipient.
Faptul ca, in domeniul timp, nu exista semnale de retroimprastiere in fata ecolului de fund
arata ca atacul de hidrogen este limitat la un strat relativ subtire de material de la suprafata interioara a tevii. Microdefectele generate prin atac de hidrogen, sunt situate in zona de material “acoperita” de ecoul de fund, apreciata la 1÷2 mm grosime.
Examinarile AUBT efectuate pe bosajul raco rdului R1 si pe fundul reactorului, in
vecinatatea jonctiunii cu bosajul, arata ca nu exist ă indicatii ale unui eventual atac de hidrogen pe
aceste componente.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
Fig. 3.3-8. Comparatii semnale pe teava – interfata programului de analiza spectrala.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
4. IMAGISTICA ULTRASONICA SPECTRALA
In cadrul cercetarilor pentru elaborarea tezei, s-a initiat o noua abordare a defectoscopiei
ultrasonice spectrale, bazata pe conceptul de reprezentari de tip imagine ale marimilor spectrale
caracteristice pentru interactia unda-defect. Dato rita corelatiei inalte dintre punctele repr ezentarilor
de tip imagine , influenta zgomotului sau a semnalelor parazite asupra rezultatelor finale va putea fi
mult limitata prin implementarea metodelor puternice de prelucrare numerica a imaginilor. In cadrul programului de cercetare FORDIUS aferent tezei, s-a dezvoltat aceasta conceptie,
elaborind si aplicand sistematic o tehnica concreta pentru obtinerea de imagini spectrale ale unor
clase largi de defecte de referinta. Astfel, in noua abordare, evaluarea formei, marimii si pozitiei
defectelor se va bazeaza pe analiza comparativa a proprietatilor relevate de imaginile C-scan ale
ampltudinii spectrale maxime, ale frecventei de virf si largimii de banda a semnalelor de ecou, sau
pe reprezentari frecventa-pozitie ale amplitudunii sp ectrale, obtinute prin scanarea spatiala a zonei
defectului investigat.
4.1, Descrierea sistemului de Imagist ica Ultrasonica Spectrala (SIUS)
Sistemul de imagistica ultrasonica spectrala Nuclear MicroSonic – 01 (SIUS), prezentat în
fig.3.1, este un echipament de laborator complex pe ntru examinarea automata in imersie a unor
probe rectangulare sau cilindrice în scopul detec ției și caracteriz ării discontinuit ăților de material.
Fig. 4.1. Echipamentul de imagistica ultrasonic ă spectrala Nuclear MicroSonic – 01
Sistemul Nuclear MicroSonic – 01, proiectat si realizat de compania Nuclear NDT, este un
model functional pe baza caruia in cadrul compan iei se experimenteaza si se realizeaza instala ții
specializate pentru numeroase aplica ții de defectoscopie industrial ă (defectoscopia materialelor
compozite, caracterizarea coroziunii la tuburile schimb ătoarelor de c ăldură, controlul “borosonic”
al rotorilor forja ți, examinarea carotelor prelevate din piese forjate in scopul identific ării și
Cuprins xxxxxxxx Pag.
caracteriz ării metalografice a zonelor cu defecte structurale, caracterizarea proprietatilor elastice ale
materialelor prin imagistica ultrasonica asociata cu sisteme de goniometrie). Func ționarea instala ției se bazeaz ă pe scanarea automat ă cu un fascicul ultrasonic de înalta
rezoluție a zonei stabilite pentru examinare utiliza nd dispozitive mecanice de deplasare cu rezolu ție
ridicată și un sistem cu calculator de proces pentru achizi ția datelor de amplitudine și timp de zbor
măsurate pe semnalele de ecou, sincron cu scanarea domeniului investigat. Pozi țiile și duratele
porților pe monitorul defectoscopului sunt variabile în timpul scan ării, în func ție de pozi ția curentă
a traductorului, ceea ce face posibil ă discriminarea semnalului util de ecourile asociate reflexiilor
parazite (ce pot s ă apară în cazul unor geometrii complexe) și acoperirea întregului volum
examinat. Suportul software al instala ției construie ște, pe baza datelor de amplitudine și timp de zbor,
imagini ultrasonice în reprezentare C-scan sau B-scan. Aceste imagini permit eviden țierea unor
detalii microstructurale la o scara comparabil ă cu analiza metalografic ă, situând performantele
instalației Nuclear MicroSonic – 01 în domeniul Microscopiei Acustice. Instalația permite
examinarea la diferite unghiuri de inciden ță, atât cu unde longitudinale cât și cu unde transversale.
Schema-bloc a sistemului Nuclear MicroSonic – 01 este prezentata in fig. 3.2.
Principalele caracteristici tehnice sistemului Nuclear MicroSonic – 01 sunt prezentate in
continuare.
(1) Deplas ări maxime pe direc țiile OX, OY, OZ:
– deplasarea pe axa OX: 90mm 2mm (motorul pas cu pas SM-X);
– deplasarea pe axa OY: 240mm 5mm (motorul pas cu pas SM-Y);
– deplasarea pe axa OZ: 90mm 2mm (motorul pas cu pas SM-Z);
– rotatia probei, continua sau pe domenii mai mici de 360o(motorul pas cu pas SM-R).
(2) Rezolu ția maxim ă de scanare:
Rezolu ția maxim ă de scanare permisa de sistemul mecanic este X=Y=Z = 2,5m/pas
pentru axele OX, OY, OZ și, respectiv, de R=1min 9 sec. arc/pas cu reductor 1/3 la rotatie.
Impulsurile de comanda a motoarelor pas cu pas sunt generate de trei distribuitoare ce permit
obtinerea a 400 pasi pentru o rotatie completa a axul ui motorului. Alimentarea motoarelor se face
prin generatoare de curent constant, pentru co mpensarea cresterii reactantei infasurarilor cu
frecventa pasilor. Impulsurile de pasi si starile de sens si validare sunt furnizate pe iesirile digitale
ale interfetei PCL-812 PG, prin comanda software.
(3) Reproductibilitatea pozition ării traductorului:
Abaterea maxima la pozi ționarea traductorului pe axa de scanare este de 0,05 mm.
(4) Reproductibilitatea la calibrare:
Reproductibilitatea la calibrare a instala ției Nuclear MicroSonic – 01 este mai bun ă de
1 dB, respectiv de 10%, pentru amplitudine si mai bun ă de 10% pentru timpul de zbor.
(5) Rezolu ția lateral ă:
Rezolu ția laterală este mai bun ă de 150 m, atât în cazul examin ării la inciden ță normală
(unde longitudinale) cât și în cazul examin ării la inciden ță oblică (unde transversale).
(6) Rezolu ția în adâncime:
Rezolu ția in adâncime este mai bun ă de 200 m, atât în cazul examin ării la inciden ță
normală (unde longitudinale) cât și în cazul examin ării la inciden ță oblică (unde transversale).
(7) Defectul minim detectabil:
Defectul minim detectabil este echivalent, ca arie, cu un disc avand diametrul de pân ă la 80
m, în cazul utiliz ării traductoarelor de înalt ă frecvență cu folie polimeric ă piezoelectric ă.
Pentru cre șterea imunit ății la zgomot și obținerea unei reproductibilit ăți cât mai bune, pentru
fiecare pozi ție curentă a traductorului fa ță de elementul combustibil, se emit N pulsuri de excitare a
traductorului, valorile timpilor de zbor și respectiv ale amplitudinilor ecourilor fiind mediate pe cele
N valori.
Cuprins xxxxxxxx Pag.
AM : ELECTRICAL DAMPING OF THE TRANSDUCER
FR : REPETITION FREQUENCY f
O : CENTER FREQUENCY OF THE BROAD BAND (BB) AMPLIFICATION
AR : GAIN CONTROL OF BB AMPLIFICATION f ; BW : FREQUENCY AND BAND WIDTH OF THE NARROW-BAND (NB) AMPLIFICATION AS : GAIN CONTROL OF NB AMPLIFICATION A(X,Y,R) : AMPLITUDE OF THE BROAD BAND RECEIVED PULSE
U(X,Y,R;f) : AMPLITUDE OF SPECTRAL COMPONENT f OF THE RECEIVED PULSE
SM : STEPPER MOTORS SVV-1 : HIGH-FREQUENCY PULSER / PREAMPLIFIER (KRAUTKRAMER) USIP 12 : ULTRASONIC FLAW DETECTOR WITH DTM 12 TIME-OF-FLYGHT UNIT (KRAUTKRAMER)
HP 8553 B : SPECTRUM ANALYZ ER (HEWLETT PACKARD)
T : ULTRASONIC TRANSDUCER TOF : TIME-OF-FLYGHT SOFT. TOF
INTEGRATOR-
-INVERTOR EXT. FREQ. SCAN
FR
HP 8553 B
BWGATE 2 (RF)
AS GATE START COMMAND
ANALOG IN
DIGITAL OUT
ANALOG OUT
DIGITAL IN
F R E Q U E N CY
S C A N C O M M AN D
PENTIUM 120 MHz
RAM 16 MB
HDD 840 MB
PRINTER MONITOR
SVGA RECEIVER PULSER MONITOR TIME BASE
USIP 12
MOTOR SELECTION
STEPS NUMBE R
SENS SENS
A
U
T
O
M
A
T
I
C
/
M
A
N U
A
L
C
O
MM
A
N D
A
U
T
O
M
A
T
I
C
M
A
N U
A
L A
M
P
L
I
F
I
E
R SM
XA
B
C
D
PULSE
DISTRIBUTOR
(400 steps / rev.)
STEPS
SENS
VALIDATIONA
DB
C
A
M
P
L
I
F
I
E
R A
B
C
D
PULSE
DISTRIBUTOR
(400 steps / rev.) STEPS
SENS
VALIDATIONA
DB
C
A
M
P
L
I
F
I
E
R A
B
C
D
PULSE
DISTRIBUTOR
(400 steps / rev.) STEPS
VALIDATIONA
DB
C
STEPPER MOTORS DRIVERS SM
RSM
YGATE POSITION AR 2
fO f
PCL 812 PG
ADVANTECH INTERFACE S
P E C T R A L A M P L I T U D E B
B A MP L I T U D E
A(X,Y,R) GATE 1
U(X,Y,R;f)
SVV-1
AM
SAMPLEY
X T O
R TRIG HTR DTM-12TOF
AR 1 GATE POSITION
GA T E
GA T E
S T A R T C O M M AN D
W I D T H C O M M AN D
GATE WIDTH COMMAND
Fig. 4.2. Schema – bloc a sistemului de imagistica ultrasonica spectrala Nuclear MicroSonic – 01 (SIUS)
Capitolul xxx Pag.
11
Datele achizi ționate sunt stocate de calculator în fi șiere de coordonate și valori ale
amplitudinii și timpului de zbor. Pe baza acestor date, prin program, calculatorul construie ște
imaginile în reprezentare C-scan și B-scan ale zonelor examinate.
Traductorul de ultrasunete utilizat este excitat cu pulsuri de band ă largă furnizate de
pulserul/preamplificator, semnalele de ecou fiind recep ționate de acela și traductor și amplificate pe
un domeniu spectral foarte larg de lan țul preamplificator + receptor defectoscop USIP 12
(ambele sunt instrumente Krautkramer). Ecourile de band ă largă detectate pe alternan ța pozitivă
(HWP), negativ ă (HWN) sau cu superpozi ția ambelor (Full Wave FW) selectate cu poarta GATE 1
sunt transmise unui detector de vârf care furnizeaz ă amplitudinea de band ă largă A (X,Y,R) .
Întregul sistem este cuplat la calculator prin inte rmediul interfetei de achizitie de date
PCL 818. Suportul software al instala ției Nuclear MicroSonic – 01 este realizat ca aplica ție Visual
Basic, având o interfa ța cu utilizatorul în maniera aplica țiilor Windows, cu urm ătoarele func ții
importante: – comanda motoarelor pas cu pas pentru scanarea probei circumferen țial și radial;
– comanda por ții defectoscopului USIP 12, sincron cu scanarea geometrica, pentru acoperirea
în adâncime a zonei sudurii;
– comanda baleiajului în frecven ță analizorului HP 8553B, pentru analiz ă spectrală;
– achizi ția, sincron ă cu scanarea, a amplitudinii
și timpului de zbor pentru ecourile selectate
cu poarta defectoscopului;
– reprezentarea grafic ă C-scan a semnalelor achizi ționate;
– reprezentarea grafic ă B-scan a datelor achizi ționate, pentru orice sec țiune radial ă marcată de
utilizator;
– aplicarea unui criteriu ultrasonic de acceptare / rejec ție (dacă problema abordat ă permite
acest lucru). Datele stocate în fi șiere de amplitudine, timp de zbor si coordonatele circumferen țial-radiale
in momentul achizitiei acestora, permit construc ția de imagini ultrasonice în reprezentare C-scan
sau B-scan ale zonei baleiate. Din perechea de reprezent ări C-scan în amplitudine și timp de zbor
corespunz ătoare fiecarei inciden țe, se poate construi, pentru o sec țiune prin proba, o reprezentare
adâncime defect-pozi ție radială (reprezentare B-scan). Reprezentarile de acest tip sunt deosebit
de utile pentru evaluarea integrit ății probei investigate, imaginile B-scan con ținând, practic,
întreaga informa ție necesar ă analizei defectoscopice: extensia spa țială, orientarea și amplitudinea
defectelor. Traductorul de ultrasunete T este excitat cu pulsuri de banda larga furnizate de pulserul /
preamplificator SVV-1 (Krautkramer), semnalele de ecou fiind receptionate de acelasi traductor si
amplificate pe un domeniu spectral foarte larg de lantul preamplificator SVV-1 + receptor
defectoscop USIP 12 (ambele sunt instrumente Krautkramer). Ecourile de banda larga detectate pe
alternanta pozitiva (HWP), negativa (HWN) sau cu superpozitia ambelor (Full Wave FW) selectate
cu poarta GATE 1 sunt transmise unui detector de varf care furnizeaza amplitudinea de banda
larga A (X,Y,R) . Ecourile de radiofrecventa (RF) separate in timp cu poarta GATE 2 sunt
transmise analizorului spectral HP 8553B (Hewlett-Packard) care permite determinarea
continutului spectral al semnalor selectate (modul ul transformatei Fourier) sau permite amplificarea
cu o banda (ingusta) presetata BW a componentei spectrale f a ecoului RF, obtinandu-se, deci
,
semnalul de banda ingusta U(X,Y,R; f) . Ambele semnale sunt convertite numeric de interfata
PCL 812 PG si sunt stocate, in fiecare punct de ach izitie al traiectoriei de baleiaj (scanare), in
fisierele de amplitudine. In fig. 4.3 este reprezentata banda spectra la a defectoscopului USIP 12 care este
componenta spectrala limitativa a lantului de r eceptie al instalatiei Nuclear MicroSonic – 01
(SIUS).
Capitolul xxx Pag.
12
0102030405060708090100
0 5 10 15 20 25 30 Frequency [MHz]Amplitude [%]
AR2 = 50dB
AR2 = 70dB
AR2 = 90dB
Fig. 4.3. Banda spectrala caracteristica receptorului din defectoscopul USIP 12 la diferite amplificari AR2.
Raspunsul in frecventa a fost masurat, in punctele indicate, cu analizorul spectral HP8553B setat pe
largimea de banda BW = 30kHz, pentru semnal de intrare sinusoidal
Se poate constata ca se obtine o amplificare pr actic constanta pana la 25 MHz, domeniul de
lucru in frecventa putand fi extins pana la ap roximativ 45 MHz, aplicand corectii spectrale de
amplificare.
Tabelul 3.1. Principalele caracteristici ale traduc torilor utilizati pe instalatia de imagistica
ultrasonica spectrala Nuclear MicroSonic-01
Notatii:
fn , frecventa nominala;
AB, domeniul distantelor pe axa acustica a traductorului, in jurul distantei focale F, in care presiunea acustica scade
cu ½ din valoarea maxima;
F , distanta focala a traductorului (dis tanta pe axa acustica pentru care pres iunea acustica are valoarea maxima);
FD 6 , diametrul petei focale a traductorului (domeniul din pl anul focal in care presiun ea scade cu ½ din valoarea
maxima);
D , diametrul elementului oscilant;
Dcase , diametrul carcasei traductorului;
L (Zr) = v L (Zr) / f n, lungimea de unda a modului longitudinal corespunzatoare frecventei nominale, in proba
investigata (in tabel, pentru probe din aliaj de zirconiu cu v L(Zr) = 4,65 mm/ s);
T (Zr) = v T (Zr) / f n, lungimea de unda a modului transversal corespunzatoare frecventei nominale, in proba
investigata (in tabel, pentru probe din aliaj de zirconiu cu v T(Zr) = 2,35 mm/ s)
Nr.
crt. fn
[MHz] AB
[mm] F
[mm] FD 6
[mm] D
[mm] Dcase
[mm] T
[mm] L
[mm] TIP TRADUCTOR /
FURNIZOR
1 10 10-23 15 0.44 5 9.5 0.235 0.465 H10MP15
KRAUTKRAMER
2 25 20-35 25 0.30 5 9.5 0.094 0.186 IAP-FM 25.3.1
KRAUTKRAMER
3 50 21.5-29 25 0.15 5 9.5 0.047 0.093 IAP-FM 50.3.1
KRAUTKRAMER
4 80 23-27 25 0.09 5 9.5 0.029 0.058 IAP-FM 80.3.1
KRAUTKRAMER
Capitolul xxx Pag.
13
Conditia principala pentru a obtine simultan o rezolutie spatiala ridicata si un continut
spectral larg al pulsului incident este utilizar ea unor traductori de inalta frecventa, puternic
amortizati.Caracteristicile de baza ale traductor ilor utilizati in masuratorile de Microscopie
Acustica si analiza spectrala sunt prezentate in tabelul 3.1.
Pulsul (negativ) de excitatie a traductorului, produs de pulser-ul SVV-1, are un front cazator
de aproximativ 3ns, putand asigura, cu valori adecvat ajustate ale elementelor rezistive si capacitive
de amortizare si cu traductori corespunzatori, o banda de frecventa a pulsurilor ultrasonice emise,
de pana la 100 MHz. Continutul spectral al pulsului ultrasonic emis de fiecare din traductorii din tabelul 2 este
reprezentat in fig.3. Aceste curbe de raspuns in domeniul frecventa au fost obtinute prin analiza spectrala a primului ecou de fund obtinut la incident a normala pe o proba cu fete plan – paralele din
aliajul de zirconiu zircaloy-4, cu grosimea de 3,8mm.
Fig. 4.4. Raspunsul in frecventa al traductorilor de in alta frecventa din tabelul 3.2, determinat cu lantul
spectral al instalatiei Nuclear MicroSonic – 01, pe ecoul de fund obtinut pe o proba din aliajul
zircaloy-4 cu grosimea de 3.8 mm
Parcursul in apa s-a fixat astfel incat sa se ob tina focalizare pe peretele indepartat al probei
(care produce ecoul de fund). Tinand seama ca traduc torul ultrasonic este un dispozitiv cu o functie
de transfer puternic dependenta de frecventa atit la emisie cit si la receptie, putem considera ca
reprezentarile din fig.4 sint caracteristicile spectra le reale ale sistemului Nuclear MicroSonic – 01,
pentru fiecare tip de tradutor utilizat. Defectoscopul USIP 12 contine modulul special DTM-12 care masoara valorile timpului de
zbor TOF dintre doua semnale de ecou se lectate in prealabil cu portile GATE 1 si GATE 2 , sau
timpul de zbor dintre ecourile selectate cu una sau cealalta dintre porti si impulsul de emisie.
Valorile timpului de zbor TZ (X,Y,R) in fiecare punct de achizitie al traiectoriei de baleiaj sunt
citite prin interfata PCL 812 PG, pe intrarile sale digitale (16 biti). Pozitia de start a oricareia dintre cele doua porti se poate modifica in timpul scanarii,
conform unui vector de valori prestabilit sau generat software. Aceasta se realizeaza prin aplicarea
unei tensiuni furnizate prin interfata PCL 812 PG, pe intrarile de comanda start poarta ale
monitorului defectoscopului USIP 12.
Capitolul xxx Pag.
14
Pentru cresterea imunitatii la zgomot si obtinerea unei reproductibilitati cat mai bune a
rezultatelor, in fiecare punct de achizitie al traiector iei de baleiaj se emit N pulsuri de excitatie a
traductorului, valorile stocate ale amplitudinii si timpului de zbor fiind mediate pe cele N valori
citite. Datele stocate in fisiere de amplitudine, timp de zbor si frecventa in functie de coordonatele
(X,Y,R) permit constructia imaginilor ultrasonice in reprezentare C-scan sau B-scan ale zonei baleiate, ca si a reprezentarilor frecventa-pozitie a amplitudinii spectrale dupa anumite sectiuni de interes prin zona scanata.
Lantul de emisie / receptie ultrasonica si de analiza spectrala al instalatiei de imagistica
ultrasonica spectrala Nuclear MicroSonic – 01 este descris mai sus. In acest sistem, caracteristicile spectrale ale semnalelor de radiofrecventa (RF) selectate pe poarta GATE2 a monitorului se obtin
din modulul transformatei Fourier furnizat de analizorul spectral analogic HP 8553B. Utilizarea
unei tehnici analogice de tip superheterodina pentru descompunere spectrala a pulsurilor ultrasonice
are avantajul, fata de transformata Fourier numer ica, de a permite obtinerea unei rezolutii spectrale
ridicate pe domenii largi de frecventa ([5], [8]).
Totusi, calculul numeric al Transformatei Four ier Rapide (TFR) este de interes deosebit
intrucit, in acest mod, se pot determina ambele co mponente, reala si imaginara, ale Transformatei
Fourier [15], informatia legata de faza semn alelor ultrasonice devenind, astfel, accesibila.
In fig.3.2 sunt date caracteristicile spectrale al e lantului complet de emisie / receptie al
instalatiei Nuclear MicroScan – 01, determinate pentru diferite amplificari, pentru semnal de intrare
sinusoidal.
Aceasta este o caracteristica spectrala „globala”, specifica unei zone invecinate planului
focal al fascicolului ultrasonic. In fapt, tra ductorii de banda larga puternic focalizati emit un
fascicol ultrasonic avand o distributie spatiala neuniforma a frecventelor prezente in raspunsul
spectral global. Aceasta distributie are o depende nta complexa de forma pulsului (distributia
spatiala a energiei acustice) si de frecventa. Totu si, in jurul planului focal, campul acustic, in regim
de excitatie cu pulsuri de banda larga a traducto rului, poate fi reprezentat ca o superpozitie de
fascicole focalizate, monocromatice ([5] ). Astfel, pentru o frecventa data f, in cazul unui traductor
focalizat sferic, avand diametrul elementului oscilant D, diametrul sectiunii sferice a lentilei a si
distanta focala F, presiunea acustica P(x) in planul focal va fi [18]:
),()( )/ ()/ (2)( ),(1
1 fxUfP F Dx F DxJfPfxPo o (10)
In aceasta formula, x este distanta fata de axa in planul focal, = v L,T / f este lungimea de
unda in mediul de propagare (longitudinala L, sau transversala T, dupa caz), iar J 1 este functia
Bessel de prima speta. Presiunea acustica data de expresia (1) trece prin primul sau minim x m cand
x creste, atunci cand:
2 ,1 /F Dxm (11)
conditie ce poate fi transpusa pentru raportul x / in forma:
Da DF xm / 2,1 2,1 / (12)
Ca urmare, pentru un traductor focalizat, cu raza mica de curbura a lentilei (a~D), largimea
fascicolului in planul focal este aproximativ egala cu lungimea de unda . Pe de alta parte, din
relatia (2) rezulta ca largimea fascicolului x m este o functie descrescatoare cu frecventa:
fDFv xL m / 2,1 (13)
Asadar, componentele de inalta frecventa ale fascic olului sunt localizate in jurul axei acustice
a traductorului .
Capitolul xxx Pag.
15
Presiunea acustica pe axa traductorului P o(f) actioneaza ca si functie de distributie (pondere)
pentru presiunea acustica de banda larga P(x), asa cum se vede din formula:
0 0 );( )( );( )( dffxUfP dffxP xPo (14)
unde U(x;f) este definit prin relatia (1). In principiu, P o(f) se calculeaza din functiile experimentale
de raspuns in frecventa reprezentate in fig. 2, pe ntru traductorii de inalta rezolutie utilizati in
masuratorile de imagistica ultrasonica spectrala. Datorita faptului ca distributia spectrala a en ergiei acustice nu este uniforma in sectiunea
fascicolului, imprastierea pulsului ultrasonic pe de fecte mai mici decat sectiunea va fi, deasemenea,
neuniforma spectral . Distributia spectrala a pachetului de unde imprastiat (reflectat) pe defect, va
fi determinata, in esenta, de forma, marimea si orientarea defectului. Caracterizarea formei, marimii si orientarii defectelor pe baza proprietatilor spectrale ale radiatiei ultrasonice imprastiate
(reflectate) pe defectele respective este obiectul de studiu al
Spectroscopiei de Ultrasunete .
3.3. Probe cu defecte de referinta pentru caracterizarea performantelor SIUS
Un prim set de probe plane cu defecte de referinta, realizat in scopul caracterizarii
proprietatilor spectrale ale interactiei unui fascicol de unde longitudinale puternic focalizat cu
defecte de mici dimensiuni in raport cu s ectiunea fascicolului, contine defecte de tip gaura cu fund
rotunjit (RBH Round Bottom Holes) si gaura cu fund plat (FBH Flat Bottom Holes).
Principalele caracteristici dimensionale ale acestor defecte sunt prezentate in Anexa A1 – tabelul
A1.1. Probele au fete plane si s-au realizat din ba ra de zircaloy-4 (fetele fiind paralele cu planul
circumferential al barei). Gaurile s-au uzinat perpendicular pe fetele probei, prin urmatoarele procedee:
(1)
defectele RBH , prin gaurire cu burghiu cu varf c onic; examinarea optica a sectiunii unor
asemenea defecte, realizate in conditii identice, au aratat ca, datorita ductilitatii aliajului
zircaloy-4, varful defectelor este rotunjit, aproape semisferic;
(2) defectele FBH , prin electroeroziune (de catre Compania “CHARMILLES
TECHNOLOGIES”, Elvetia, v. referinta [12]).
S-au realizat 5 probe cu defecte de tip RBH si 3 probe cu defecte de tip FBH . Pe aceste probe s-au
efectuat masuratori spectrale ale semnalelor de ecou la incidenta normala.
Valorile adancimii reale a defectelor, prezenta te in tabelul A1.1, s-au determinat prin
masuratori ultrasonice de timp de zbor, utilizan d modulul DTM12 al defectoscopului USIP 12.
Precizia acestor masuratori este de 1ns (sau, echivalent, 0,005mm) pentru modul de lucru
AVERAGE.
S-au realizat, deasemenea, doua etaloane din probe de tub de presiune, codificate US/FD-R-
02 si US/FD-H-02 , continind doua tipuri de defecte artificiale: defecte de tip gaura radiala si
defecte de tip canal axial sau circumferential . Desenele de executie ale acestor etaloane sunt
prezentate in Anexa A2. In continuare, vom prezenta detaliat tipo-dimensiunile defectelor uzinate
pe cele doua etaloane si modul corespondent de codificare.
(I) Defecte de tip gaura radiala. Cele doua etaloane contin 3 tipuri de astfel de defecte:
(I.1) Defecte de tip gaura ra diala cu fund rotunjit, cod hR (etalonul US/FD-R-02, desenul
108.97-MO-0 si tabelul A.2.1 din Anexa A2): gauri cu adincimea h/10 in [mm], uzinate de la
exteriorul tubului pe directie radiala, avind diametrul d egal cu :
d = 0,3 mm, pentru =3; d = 0,6 mm, pentru =6; d = 1 mm, pentru =10.
d = 0,4 mm, pentru =4; d = 0,7 mm, pentru =7;
d = 0,5 mm, pentru =5; d = 0,8 mm, pentru =8;
Capitolul xxx Pag.
16
Adancimile gaurilor au trei valori: 0,4 mm (h=4), 0,8mm (h=8) si 1,2 mm (h=12). Fiind
uzinate prin gaurire cu burghie de diametrul d, capatul (fundul) gaurilor este rotunjit (semnificatia
simbolului R). Ca exemplu, defectul 4R10 este o gaura radiala cu fund rotunjit, avind adincimea de
0,4 mm de la exteriorul tubului si diametrul de 1mm. Etalonul US/FD-R-02 contine 21 de defecte
de acest tip. In tabelul A.2.1 sint prezentate caracteristicile dimensionale ale defectelotr de tip hR;
adincimile reale ale defectelor au fost masura te ultrasonic, prin tehnica aplicata si in cazul
defectelor RBH si FBH.
(I.2) Defecte de tip gaura radiala cu fund plat, cod F x (etalonul US/FD-H-02, desenul 107.97-
MO-0 din Anexa A2): gauri cu fund plat, avind diametrul /10 in [mm], uzinate prin
electroeroziune de la exteriorul tubului ( x=E), sau de la interior ( x=I), pe directie radiala.
Semnificatia simbolului F vine de la cuvintul englezesc ” Flat”. Etalonul US/FD-H-02 contine doua
defecte de acest tip, si anume F10E si F10I , avind acelasi diametru d=1mm si adincimea de
0,5 mm.
(I.3) Defecte de tip gaura radiala strapunsa, cod . Etalonul US/FD-H-02 (desenul 107.97-MO-
0 din Anexa1) contine un singur defect de acest tip, cu diametrul d = /10 =1mm. Defectul a fost
uzinat prin gaurire cu burghiu de 1,0 mm.
(II) Defecte de tip canal axial si circumferential. Etaloanele US/FD-R-02 si US/FD-H-02 contin
2 tipuri de astfel de defecte:
(II.1) Canale cu fund plat, cod CyxP (etalonul US/FD-H-02, dese nul 107.97-MO-0 din Anexa1):
canale realizate prin electroeroziune, avind fundul plat ( P ). Etalonul contine doua defecte orientate
circumferential ( y=C) si doua orientate axial ( y=A), cite unul la exterior ( x=E) si respectiv la
interior ( x=I). Toate canalele de acest tip au adincimea de 0,1 mm, lungimea de 5 mm si latimea de
0,2 mm.
(II.1) Canale cu fund rotunjit, cod CyxR (etalonul US/FD-R-02, desenul 108.97-MO-0 din
Anexa A2): canale realizate prin frezare, avand fundul rotund ( R). Etalonul contine doua defecte
orientate circumferential ( y=C), unul la exterior ( x=E) si celalalt la interior ( x=I), si un defect
orientat axial ( y=A), uzinat la exterior ( x=E). Toate canalele de acest tip au adincimea de 0,1 mm,
lungimea de 12,7 mm (zona de adincime constanta conform desenului mentionat) si latimea
de 0,2 mm.
(III) Defecte de tip gaura axi ala cu fund rotunjit, cod aR (etalonul US/FD-R-02, desenul
108.97-MO-0 din Anexa A2): gauri uzinate pe directie axiala in peretele tubului, avind axa pe
cercurile de diametru D pe o fata a inelului si, respectiv, D 1 pe fata opusa, in raport cu centrul
tubului; diametrul d si adincimea h a gaurilor sint egale egale cu :
d = 0,14mm, h= 0,7 mm pentru =1; d = 0,6 mm, h=3 mm pentru =6;
d = 0,3 mm, h= 1,5 mm pentru =3; d = 0,7 mm, h=4 mm pentru =7;
d = 0,4 mm, h= 2 mm pentru =4; d = 0,8 mm, h=4 mm pentru =8;
d = 0,5 mm, h= 2,5 mm pentru =5; d = 1 mm, h=5 mm pentru =10.
Fiind uzinate prin gaurire cu burghie de diam etrul d, capatul (fundul) gaurilor este rotunjit
(semnificatia simbolului R). Diametrele D si D1 sint astfel stabilite incit, indiferent de diametrul lor,
gaurile sint tangente spre interiorul tubului la aceiasi suprafata cilindrica, aflata la distanta a= 2mm
pe o fata a inelului si, respectiv, a=3mm pe cealalta fata, in raport cu suprafata interioara a tubului.
Etalonul US/FD-R-02 contine 16 defecte de acest tip. Ca observatie generala referitoare la dimensiun ile defectelor uzinate, de la caz la caz, prin
gaurire cu burghiul, frezare sau electroeroziune, notam ca valorile din desenele de executie,
mentionate si in prezentarea de mai sus, sunt di mensiuni ale sculelor utilizate (in special pentru
Capitolul xxx Pag.
17
diametrele gaurilor si latimile canalelor), respec tiv impuse prin procedeele tehnologice aplicate (de
exemplu, pentru adincimi sau lungimi). Evaluari statistice efectuate prin analize distructive pe
colective statistice de piese cu defecte artificiale executate in aceleasi conditii tehnologice, au aratat
ca abaterile dimensiunilor reale de la cele de pr oiectare se inscriu in tolerantele de executie
specificate. Analizele distructive confirmatorii au constat in analize optice si metalografice pe
sectiuni in piesele examinate. In viitor, se urma reste punerea la punct a unei game cit mai largi de
metode nedistructive de caracterizare dimensionala a defectelor artificiale. Scopul caracterizarii performantelor SIUS a fost calificarea acestei metode pentru a fi
aplicata la examinarea probelor prelevate din piese fo rjate continand defecte. Calificarea metodei si
echipamentului de imagistica ultrasonica spectrala s- a efectuat atit pe etaloanele din aliaje de Zr
prezentate mai sus, dar si pe
probe de sticla continind defect e eliptice de mici dimensiuni . In
contextul caracterizarii performantelor SIUS, studiul defectelor naturale in probe de sticla prezinta
o serie de avantaje, printre care:
– Viteza de faza longitudinala in sticla este v L(sticla)= 5,1 mm/ s, deci cu numai 8,5%
mai mare decit in probele / etaloanele din aliaje de zirconiu (zircaloy – 4 sau Zr-2,5%Nb). Din
aceasta cauza, spectrul lungimilor de unda si structur a spatiala a cimpului acustic incident vor fi
relativ apropiate in cele doua materiale. Ca urmare, structura spectrala si spatiala a cimpului retro-
imprastiat prin interactie cu defectul in probe de sticla va fi similara cazului retro-imprastierii pe un
defect identic intr-o proba din aliaj de Zr. Fapt ul ca impedantele acustice ale celor doua materiale
sunt mult diferite (din cauza densitatii mult mai mici a sticlei) nu are relevanta pentru studiile de
interactie a undelor ultrasonice cu defectele din material, aceasta afectind numai marimea
amplitudinii undei retro-imprastiate;
– Defectele naturale observate in probe de s ticla obtinute si prelucrate prin diferite
procedee tehnologice sint, in general, goluri de fo rma elipsoidala, cu excentricitati mergind de la
sfera si disc, la defecte aciforme. Gama dimensionala este, deasemenea, foarte larga, de la citiva microni, la 1-2 mm. Fiind forme geometrice si mple, rezultatele studiilor experimentale de
imprastiere sunt extrem de relevante pentru anali za comparativa cu rezultatele modeleler analitice si
numerice de imprastiere a undelor elastice pe defecte;
– Fiind transparente, probele de sticla permit caracterizarea dimensionala nedistructiva
a defectelor prin metode optice. Data fiind relevanta investigarii defectelor na turale in probe de sticla pentru problematica
abordata in prezenta lucrare, s-au pregatit un numar de 13 probe prelevate din bare de sticla cu
diametre cuprinse intre 10 mm si 25 mm. Aceste probe contin goluri de forma unor elipsoizi, cu axa
mare de lungime
L orientata paralel cu axa barei. Dimensiunile acestor defecte sunt prezentate in
Anexa A3, tabelul A3.1. Axele mici din planul circumferential au fost notate cu l si respectiv d.
Pentru a putea fi investigate prin imagistica u ltrasonica spectrala, probele de sticla prelevate
sub forma de disc au fost slefuite paralel cu axele discurilor pina cind s-au creat doua suprafete
(dreptunghiulare) plane, paralele cu axa mare a defectului, avind dimensini de cel putin 20 de ori
mai mari decit diametrul fascicolului ultrasonic. A ceste suprafete s-au utilizat pentru incidenta si,
respectiv, pentru obtinerea ecoului de fund. Probele de sticla au fost codificate Snx, unde nx
corespunde tabelului A3.1.
3.4. Caracterizarea rezolutiei laterale a sistemului de imagistica ultrasonica
In scopul caracterizarii rezolutiei laterale a tr aductorilor utilizati pe instalatia de imagistica
ultrasonica spectrala Nuclear MicroScan-01, s-au efectuat masuratori spectrale ale semnalelor de
ecou obtinute la incidenta normala pe probe cu defecte de tip gaura cu fund rotunjit (RBH ) si
gaura cu fund plat (FBH ), prezentate in sectiunea 3.3 si in Anexa A1.
Masuratorile spectrale pe defectele de tip RBH si FBH s-a realizat la o pozitie fixa proba-
traductor, corespunzatoare amplitudinii maxime a eco ului de defect (valoarea maxima a semnalului
Capitolul xxx Pag.
18
de banda larga A(X;Y), obtinut la iesirea defectoscopului USIP 12, prin detectia de varf a
impulsului de ecou, amplificat in regim de banda larga). Parcursul in apa s-a modificat pentru
fiecare defect, astfel incat planul focal al traducto rului sa treaca prin varful defectului (criteriul:
amplitudinea maxima a ecoului de defect). In aceasta pozitie traductor-defect, s-au determ inat spectrele ecourilor de fund si de defect,
separarea acestora in domeniul timp realizandu-se cu poarta monitorului de radiofrecventa GATE2;
pentru masuratorile pe ecoul de defect, durata si pozitia portii au fost reglate astfel incat sa se evite influenta ecoului secundar datorat undelor generate prin conversie de mod la suprafata defectului
(„creeping waves”, v. ref. [10]). In fig.3.4 sunt re prezentate spectrele ecourilor de fund si de defect
pentru defectele de tip RBH (a) si respectiv FBH (b) obtinute cu traductorul de inalta frecventa
IAP-FM 80.3.1. Se poate constata ca, pentru ecoul de fund exista, in cazul ambelor tipuri de defect,
o scadere strict monotona, atat a frecventei de varf, cat si a largimii de banda, cu diametrul
defectului (fig. 3.6). Aceste de pendente nu mai au acelasi caracter strict monoton in cazul spectrelor
ecourilor de defect (fig.3.7). Comportarea spectrala diferita a celor doua semnale de ecou se explica
prin faptul ca, pentru ecoul de fund, continutul spectral este determinat de „dislocarea” unei zone
centrale a fascicolului ultrasonic, prin imprastier ea pe defecte a energiei acustice din aceasta zona.
Ceea ce „ramane” din fascicol si genereaza ecoul de fund, este o coroana circulara cu diametrul
interior aproape egal cu diametrul defectului , coroana ce contine numai frecventele joase ale
fascicolului incident. In cazul ecoului de defect, dependenta propriet atilor spectrale de diametrul defectului este
mai complexa, intrucat efectul
retroimprastierii energiei acustice (care determina ecoul principal,
selectat pe poarta) se suprapune cu efectul conversiei de mod la suprafata defectului (care
determina ecoul secundar, ce nu intervine in analiza spectrala dar „absoarbe” selectiv din continutul
spectral al fascicolului incident) ambele fiind fe nomene puternic dependente de frecventa. Totusi,
este important sa observam ca domeniile spect rale ale celor doua semnale (ecou de fund si
respectiv, de defect) sunt distincte: zona frecventelo r mari pentru ecoul de defect si respectiv, zona
frecventelor mici pentru ecoul de fund in prezenta defectului. In mod evident, fereastra spectrala
(„gap”-ul) dintre cele doua domenii de frecventa es te cu atat mai mare cu cat diametrul defectelor
este limitat superior la o valoare mai mica, in raport cu sectiunea fascicolului ultrasonic incident. Influenta spectrala a ecoului secundar, datora t undelor generate prin conversie de mod la
interactia fascicol incident-defect (“creeping wave”), apare ca modulatie a spectrului ecoului
principal, atunci cand cele doua ecouri sunt prezente simultan pe poarta monitorului de
radiofrecventa. Din spectrele compuse prezentate in fig.3.4 si 3.5 rezulta ca influenta ecoului secundar
CWE (“
Creeping Wave Echo”), este mai pronuntata in cazu l ecoului de defect decat in cazul
ecoului de fund. Totusi, nu se poate evidentia o corelatie simpla intre diametrul defectului si modulatia in amplitudine; aceasta se datoreaza, cel mai probabil, abaterii formei reale a defectelor
de la forma cilindrica, abateri greu de contro lat si cuantificat in cazul tehnologiilor simple de
executie aplicate. Din fig.3.4 si 3.5, dar in mod special din fig. 3.8, rezulta ca exista o diferenta semnificativa
intre spectrele defectelor de tip RBH, comparativ cu spectrele defectelor de tip FBH. Asa cum este
de asteptat, aceasta diferenta este mai accentuata la fr ecvente mari; se poate constata in primul rand
ca, pentru acelasi diametru, frecventa de varf core spunzatoare defectelor de tip RBH este mai mare
decat aceea corespunzatoare defectelor de tip FBH. Deasemenea modulatia datorata ecoului
secundar CWE este mai pronuntata in cazul defectelor de tip FBH.
Capitolul xxx Pag.
19
a)
b)
Fig.3.5. Spectrele ecourilor de fund in prezenta defect elor de tip RBH (a) si de tip FBH (b).
Raspunsul spectral a fost masu rat utilizand traductorul IAP-FM 80.3.1,
fascicolul ultrasonic fii nd centrat pe axa defectului (criteriul: amplitudinea
maxima a ecoului de defect). Reprezen tarile din dreapta corespund spectrului
compus, cand ecoul principal de fund (retro imprastiere) si ecoul secundar (“creeping
waves”) sunt simultan prezente pe poarta monitorului.
Capitolul xxx Pag.
20
a)
b)
Fig.3.6. Spectrele ecourilor de defect pentru de fectele de tip RBH (a) si respectiv de tip
FBH (b). Raspunsul spectral a fost ma surat utilizand traductorul IAP-FM 80.3.1,
fascicolul ultrasonic fii nd centrat pe axa defectului (criteriul: amplitudinea
maxima a ecoului de defect). Reprezen tarile din dreapta corespund spectrului
compus, cand ecoul principal de fund (retro imprastiere) si ecoul secundar (“creeping
waves”) sunt simultan prezente pe poarta monitorului.
Capitolul xxx Pag.
21
89101112131415
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Flaw Diameter [mm]Peak Frequenc y
[MHz]
Transducer: IAP-FM 80.3.1
1012141618202224
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Flaw Diameter [mm]Bandw idth [MHz]
Transducer: IAP-FM 80.3.1
Fig.3.7. Frecventa de varf si largimea de banda corespunzatoare ecoului de fund in functie
de diametrul defectelor de tip RBH. Da tele utilizate in acest grafic provin din
spectrele prezentate in fig. 3.5, obtinute cu traductorul IAP-FM 80.3.1
Capitolul xxx Pag.
22
18202224262830
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Flaw Diameter [mm]Peak Frequenc y
[MHz] IAP-FM 80.3.1
IAP-FM 50.3.1
IAP-FM 25.3.1
708090100110120130140
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Flaw Diameter [mm]Relative
Bandw idth [% ]
IAP-FM 80.3.1
IAP-FM 50.3.1
IAP-FM 25.3.1
Fig.3.8. Frecventa de varf si a largimea de banda corespunzatoare ecoului de defect in
functie de diametrul defectelor de tip RBH. Datele pentru traductorul IAP-FM
80.3.1 utilizate in acest grafic provin din spectrele prezentate in fig. 3.6. Datele
pentru traductorii IAP-FM 50.3.1 si IAP-FM 25.3.1 au fost obtinute in mod similar
Capitolul xxx Pag.
23
a)
b)
Fig.3.9. Reprezentari comparative ale spectrelor ecourilor de fund in prezenta defectelor,
pentru defectele de tip RBH si respectiv FBH:
(a) defectele RBH1 si FBH1 (d=0.14 mm, respectiv d=0.15 mm);
(b) defectele RBH2 si FBH2 (d=0.2 mm pentru ambele).
Reprezentarile permit evaluarea influentei formei la varf a defectelor (spectrele din
aceasta figura sunt incluse si in fig.3.5)
Capitolul xxx Pag.
24
Este cunoscut ca rezolutia imaginilor ultrasonice de tip C-scan este, practic, determinata de
rezolutia laterala a fascicolului ultrasonic. Astfel, rezolutia laterala maxima ce poate fi obtinuta pe o
imagine ultrasonica este determinata de lungimea de unda minima „existenta” in fascicolul incident (adica, asociata unei componente spectrale ce poate produce un raport semnal / zgomot
supraunitar). Ca urmare, pornind de la observatia anterioa ra privind deplasarea spre frecvente mari a
spectrelor ecourilor provenind de la defecte mici si de la faptul ca frecven tele mari din componenta
spectrala a pulsului ultrasonic sunt localizate in cen trul fascicolului incident, rezulta ca amplificarea
selectiva de banda ingusta a semnalelor de ecou, va avea ca efect cresterea rezolutiei laterale a
imaginilor obtinute; aceasta, desigur, cu conditia ca ba nda (ingusta) de amplificare sa fie centrata pe
o componenta de frecventa mare a spectrului fascicolului incident. Utilitatea acestui procedeu de crestere a rezo lutiei laterale a imaginilor ultrasonice este
ilustrat in fig.3.9 si 3.10 pentru cazul reprezentar ilor C-scan obtinute pe de fectele RBH 2 si FBH 2
(de acelasi diametru d=0,2 mm), cu traductorii IAP- FM 80.3.1 si, respectiv, IAP-FM 25.3.1. Astfel,
comparatia imaginilor (a) si (b), generate de:
(a) amplitudinea de varf obtinuta prin detectia ecourilor amplificate in regim de banda larga
A(X,Y); respectiv,
(b) amplitudinea U(X, Y; f
max) a componentei cu frecventa de varf f max din spectrul de
frecvente al ecoului maxim de defect ( 2
maxRBHf 28MHz, respectiv 2
maxFBHf 25,75MHz,
corespunzator maximelor curbelor spectrale pentru defectul RBH2, respectiv FBH2, din fig.3.5a si
3.5b, stanga), amplificata cu o largime de band a BW = 300KHz (fixata la analizorul HP 8553 B),
demonstreaza aproape o dublare a rezolutiei laterale in imaginile (b), atat pentru RBH2, cat si
pentru FBH2.
Cantitativ, este important de observat ca diametrul mediu corespunzator conturului de –
3dB pe imaginile obtinute cu traductorul IAP-FM 80.3.1, este foarte apropiat de diametrul
defectelor si aceasta, cu o mai buna aproximatie pentru defectele de tip RBH cu d 0,2mm.
Este interesant de constatat ca ingustarea in continuare a largimii de banda (imaginile (c)
obtinute cu o largime de banda BW = 30KHz) nu mai are ca efect cresterea rezolutiei laterale,
datorita faptului ca, sub o anumita valoare a razei fata de axa fascicolului, continutul spectral
devine, practic, uniform.
Totusi, rezolutia laterala se imbunatateste in ca zul in care in fiecare punct de achizitie
al zonei scanate se determina intregul spectru al ecoului si nu numai amplitudinea
corespunzatoare componentei cu frecventa prestabilita f max din spectrul ecoului maxim de defect, ca
in masuratorile discutate mai sus (pe baza carora s- au construit imaginile din Anexa A1 – fig. A1.1
si A1.2). Aceasta noua tehnica de analiza spectra la a fost aplicata la investigarea defectelor de
referinta ale etaloanelor US/FD-R-02 si US/FD-H-02. Rezultatele obtinute sint prezentate in
sectiunea 3.7.
3.7. Caracterizarea performantelor SIUS pe baza examinarii probelor cu defecte de referinta
S-au efectuat masuratori pentru caracterizar ea spectrala a interactiei pulsurilor de banda
larga de unde longitudinale cu defecte de diferite forme si dimensiuni din probe de tub de presiune
si din probe de sticla, utilizind instalalatia Nuclear MicroSonic – 01 . S-a lucrat la incidenta
normala, cu imersie in apa demineralizata, la temp eratura camerei. Probele si defectele investigate
sunt cele prezentate in sectiunea 3.3. Toate masurato rile prezentate in aceasta sectiune s-au efectuat
cu traductorul IAP-FM 80.3.1 care, asa cum rezulta din sectiunea 3.6, are cea mai buna rezolutie
laterala si banda spectrala cea mai larga (cu diametrul petei focale FD -6dB=90m).
S-a lucrat cu achizitia intregului spectru al ecoul ui de radiofrecventa selectat pentru analiza
spectrala. Determinarea intregului spectru al semn alului de ecou in fiecare punct de achizitie al
traiectoriei scanate a permis constructia imaginilor de tip C-scan ale tuturor marimilor spectrale de
Capitolul xxx Pag.
25
interes (in primul rind, ale frecventei de virf, la rgimii de banda si amplitudinii spectrale maxime),
ca si a reprezentarilor de tip frecventa-pozitie ale amplitudinii spectrale, in fiecare punct de
achizitie al unor linii de interes din cadrul scanat (de exemplu, diametre, sau axe de simetrie ale
defectelor).
Referitor la focalizare, facem precizarea ca focali zarea pe suprafata de incidenta (specificata
in continuare prin notatia S) si, respectiv, pe suprafata de fund, opusa celelei de incidenta,
(specificata prin notatia F) sunt stabilite prin calcul , din parcursul in apa WP, conform bine-
cunoscutei relatii:
WP = F – [v (material) /v0] MP (15)
unde F este lungimea focala a traductorului, v(material) este viteza de faza a modului de propagare
utilizat pentru investigatia probei (materialului), v0 este viteza (longitudinala) in apa, iar MP este
parcursul in proba, pina la suprafata de foca lizare stabilita. In schimb, focalizarea pe defect
(specificata in continuare prin notatia D) este o focalizare realizata pe criteriul valorii maxime a
amplitudnii de banda larga a ecoului de defect.
Discutia rezultatelor obtinute necesita, mai intai, prezentarea modului de codificare a
fisierelor de date. In continuare, vom analiza imaginile spect rale obtinute prin scanarea ultrasonica a
defectelor de referinta ale etaloanelor din t ub de presiune si ale probelor de sticla.
In fig.A1.3 sunt prezentate imagini spectra le C-scan ale defectelor RBH2 si FBH2,
construite ca reprezentari ale frecventei de virf ( notata FM) si largimii de banda (notata BW) pentru
ecoul de defect (notat D). Se poate observa ca ambele marimi spectrale au variatii mari in zona
defectelor. Domeniul corespunzator unei variatii relative de – 3 dB este apropiat de diametrul
defectului, in cazul gaurii cu virf rotunjit. Abater ile de simetrie observate in cazul gaurii cu fund
plat se datoreaza, cel mai probabil, unor distorsiuni ale formei la virf a defectului. Aceste imagini s-
au obtinut cu focalizare pe defect.
Imaginile spectrale C-scan ale defectelor RBH2 si FBH2 construite ca reprezentari ale
frecventei de virf si largimii de banda pentru ecoul de fund (notat F), sint date in fig. A1.4.
Variatiile celor doua marimi spectrale in zona de fectelor sunt mai mari decit in cazul ecoului de
defect (fig. A1.3) si de semn opus acestora. Abaterile de simetrie in imaginile gaurii cu fund plat se
pot observa si in acest caz. S-a lucrat cu focalizare pe suprafata de incidenta (semnificatia
notatiei S). In fig. A1.5 sunt date imaginile spectrale C- scan ale defectelor 4R10 si F10E, construite ca
reprezentari ale amplitudinii de banda larga si al e amplitudinii spectrale maxime pentru ecoul de
defect. Cele doua defecte au acelasi diametru d=1 mm, dar profilul la virf diferit (rotunjit, notat R
si, respectiv, plat, notat F).
Se poate observa ca rezolutia laterala a lantului spectral este mai
buna in cazul imaginii construite cu amplit udinea spectrala maxima, in comparatie cu
imaginea in amplitudine de banda larga , fapt mentionat deja in sectiunea 3.2. Domeniul variatiei
semnificative a semnalelor este mai restrins pentru defectul cu fund rotunjit, acesta fiind aproape
egal cu diametrul defectului in cazul imaginii c) generata de amplitudinea spectrala maxima. In
acesta masuratoare, s-a lucrat cu focalizare pe defect.
Imaginile spectrale C-scan ale defectelor 4R 10 si F10E construite ca reprezentari ale
frecventei de virf si ale largimii de banda pentru ec oul de defect se pot vedea in fig.A2.4. Se poate
observa ca, datorita diametrului mare al defectel or (d=1mm) in raport cu diametrul petei focale a
traductorului utilizat (FD -6dB=90m), variatia acestor marimi spectrale in zona defectelor este mult
mica decit in cazul defectelor RBH2 si FBH2 cu d=0,2mm (fig.A2.1). Datele utilizate in aceste
reprezentari au fost achizitinate in aceeasi masuratoare ca si cele pentru fig.A2.3.
In fig.A2.5 avem imaginile spectrale ale defect elor 4R10 si F10E construite ca reprezentari
frecventa-pozitie ale amplitudinii spectrale (notatia SP) pentru ecoul de defect. Se poate observa ca,
desi defectele au acelasi diametru, spectrul se i ngusteaza considerabil in zona defectului in cazul
Capitolul xxx Pag.
26
gaurii cu virf rotunjit, raminind aproape neschimbat pentru gaura cu fund pl at. Valorile specificate
ale coordonatei x reprezinta pozitiile liniilor Y pe care s-au facut scanarile. S-a lucrat cu focalizare
pe defect.
Imaginile spectrale C-scan ale defectelor de tip canal circumferential exterior CCEP (cu
fund plat, notatia P) si respectiv CCER (cu fund rotunjit, notatia R), construite ca reprezentari ale
amplitudinii de banda larga si ale amplitudinii spect rale maxime pentru ecoul de fund sunt date in
fig.3.16. Cele doua defecte au aceeasi adincime (a=0,1mm) si aceeasi latime (l=0,2mm). Se poate
observa ca domeniul variatiei semnificative a semnal elor este mai restrins pentru defectul cu fund
rotunjit, gradientul variatiei axiale a amplitudin ii fiind, in acest caz, semnificativ mai mare. S-a
lucrat cu focalizare pe peretele exterior al probei de tub de presiune.
In fig.A2.9 sunt prezentate imaginile spectrale ale defectelor de tip canal circumferential
exterior CCEP (cu fund plat, notatia P) si respectiv CCER (cu fund rotunjit, notatia R) construite ca
reprezentari frecventa-pozitie ale amplitudinii spect rale pentru ecoul de fund. Scanarile s-au
efectuat pe segmentele circumferentiale co respunzatoare celor mai pronuntate scaderi ale
amplitudinii de banda larga BB, determinate di n reprezentarile C-scan din fig.A2.5: y=0,15mm
pentrum a) si y=0,075mm pentru b). Se poate observa ca deplasarea maximului spectral este mai
pronuntata in cazul defectului cu fund plat, iar la rgimea de banda este mai mica in cazul canalului
cu fund rotunjit. In c) si d) sint date repr ezentarile frecventa-pozitie ale amplitudinii spectrale
pentru doua scanari axiale in centrul defectului CCEP si, respectiv, aproape de unul din capetele acestuia. Asemanarea celor doua imagini este o indi catie a abaterilor mici de forma geometrica ale
acestui defect, uzinat prin electroeroziune. S-a lucrat cu focalizare pe peretele exterior al probei de
tub de presiune.
Cazul defectelor aR
de tip gaura axiala este prezentat in fig.A2.10 in care sint date
spectrele ecoului de fund intr-o zona fara defect, comparativ cu spectrele ecourilor maxime de
defect. Dependenta spectrala a ecourilor de fund si de defect, ca functie de diametrul defectului,
este net diferita in cazul imprastierii / reflexiei pe suprafata cilindrica a defectelor (axa gaurilor este
perpendiculara pe axa fascicolului, v. fig.A2.10). Prin comparatie cu fig.A2.6, se poate observa ca
dependenta frecventei de virf si a largimii de banda de diametrul defectelor este semnificativ mai
mica in acest caz, comparativ cu defectele de tip gaura radiala. Deasemenea, pentru defecte cu
diametrul mai mare de 0,3 mm, fereastra spectrala di ntre ecoul de fund (intr-o zona fara defect) si
ecourile de defect este relativ mica (notam ca, in geometria de examinare aplicata, pentru defecte cu
d 0,4 mm, ecoul de fund in prezenta defectului are amplitudine foarte mica, din care cauza el nu
mai poate fi folosit direct in analiza spectrala). Totusi, este important de notat ca, pentru defecte
mici (d 0,5mm), zona crescatoare a curbelor spectra le se ordoneaza in functie de diametru,
distanta fata de spectrul ecoului de fund fiind cu at at mai mare cu cat diametrul defectului este mai
mic. Pentru defecte mari (d 0,6 mm), apar diferente intre curbele spectrale in portiunea
descrescatoare a acestora, insa aceste diferent e nu urmeaza o dependenta strict monotona de
diametru, fie din cauza influentei abaterilor de cu rbura si orientare a defectelor, fie din cauza
perturbatiilor spectrale asociate conversiei de mod la suprafata defectului.
Pentru comparatie cu cazul gaurilor axiale, in fig.A2.6 sint date dependentele frecventei de
varf si ale largimii de banda a ecoul ui de defect in functie de diametrul acestuia, pentru defecte de
tip hR. Datele spectrale utilizate pentru aceasta reprezentare corespund spectrelor determinate in
pozitia de amplitudine maxima a ecoului de defect (fascicul ultrasonic centrat pe axa defectului) si
sunt similare celor obtinute pe defectele de tip RBH (fig.3.7 si 3.8).
Datele obtinute pe probele de sticla sunt prezentate in Anexa 3, fig.A3.1-A3.4 ca imagini
C-scan ale caracteristicilor spectrale si reprezenta ri frecventa-pozitie pentru ecoul de defect.
Probele s-au scanat cu incidenta in planul axial (X ;Y) paralel cu axa mare a defectului eliptic, axa d
a defectului fiind paralela cu axa Y. S-a lucrat , pentru toate probele, cu focalizare pe defect. O
caracteristica geometrica interesanta a defectelor di n probele de sticla este faptul ca, in limita
Capitolul xxx Pag.
27
erorilor metodei optice de caracterizare dimensionala, toate defectele pot fi considerate elipsoizi de
rotatie, a caror excentricitate variaza de la 0,5 la 0,02. Pentru cele 4 defecte investigate in
prezenta lucrare, axele mici sunt de valori foarte apropiate, in timp ce axele mari au valori de la
300 m (proba S9) la 2120 m (proba S3).
Reprezentarile frecventa-pozitie si reprezentar ile C-scan ale amplitudunii spectrale maxime
confirma aceste dimensiuni, cu exceptia probei S9 al carei defect rezulta a fi aproape sferic, ambele
axe, evaluate ultrasonic pe criteriul dimensiunilor izobarei de – 3dB (verificat in cazul defectelor de
tip gaura cu fund rotunjit), fiind de 100 m.
Reprezentarile C-scan ale frecventei de virf si ale largimii de banda in cazul defectelor lungi
arata ca ambele marimi spectrale cresc de la centrul defectului spre extremitati. Pentru probele S7 si
S3 se poate considera ca pe o zona de ordinul petei focale a traductorului, diametrul defectului
poate fi considerat constant, astfel ca variatiile frecventei de virf si ale largimii de banda sunt
determinate de scaderea diametrului defectului de la centru spre extremitati. In general, largimea de banda este mult mai sensibila la variatia diametrului defectului decit frecventa de virf.
Observatiile de mai sus referitoare la dependenta frecventei de virf si a largimii de banda de
diametrul defectului confirma comporta rea constatata in cazul defectelor aR
de tip gaura axiala, la
diametre d 0,5mm, demonstrind posibilitatea evaluarii razei defectelor prin analiza spectrala a
ecourilor ultrasonice.
Capitolul xxx Pag.
28
5. RETELE NEURONALE SI FUZIUNEA DE DATE
IN EXAMINARILE NEDISTRUCTIVE
Capitolul xxx Pag.
29
6. ANALIZA NATURII DEFECTELOR DIN PIESE FORJATE
6.1. Procedura de validare a Imagisticii Ultrasoni ce Spectrale ca metoda de analiza a naturii
defectelor din piese forjate
Programul de investigatii pentru analiza naturii defectelor detectate la examinarea
ultrasonic ă in piese forjate, pe „studii de caz”, este prezentat in continuare
Programul de examinari, analize și încercări pentru „studiile de caz”
1. Prelevarea e șantioanelor din zonele cu defecte detectat e ultrasonic la examinarea pe fluxul de
fabricație;
2. Examinarea ultrasonic ă prin contact a e șantioanelor și marcarea probelor cu defecte. Aceste
operații se realizeaza in laborato, unde se sec ționeaza și probele cu defecte;
3. Examinarea ultrasonic ă în imersie a probelor cu defecte. Generarea imaginilor ultrasonice în
amplitudine și timp de zbor;
4. Selecția defectelor pentru analiza metalografica. Stabilirea planelor de sec ționare a probelor;
5. Secționarea probelor dup ă planele stabilitepe baza imaginilor ultrasonice;
6. Analiza metalografic ă macro și microscopic ă a secțiunilor prin defecte în vederea ob ținerii de
informații privind natura defectelor. Identificarea tipurilor / naturii defectelor;
7. Efectuarea de analize de compozitie chimica în diferite plane de sec ționare pentru a se putea
aprecia nivelul segrega țiilor;
8. Efectuarea de teste mecanice pe probele rezultate din e șantioane, r ămase dup ă secționare;
9. Interpretarea rezultatelor și concluzii privind natura defectelor. Studiul documenta ției privind
elaborarea (inclusiv tipurile de lingotiere utilizate și starea acestora), vidarea, turnarea, r ăcirea,
încălzirea, forjarea, tratare intermediar ă și finală a pieselor în cauz ă in scopul stabilirii cauzelor
care au generat defectele constatate
Eșantioanele prelevate din piese forjate care con tin defecte sunt, initial, examinate ultrasonic
prin contact. Se vor marca zonele cu defecte și, în urma sec ționării acestora, se ob țin probele cu
defecte, probe care formeaza obiectul investigatiilor («studiilor de caz») mentionate mai sus.
Capitolul xxx Pag.
30
7. CONCLUZII
Lucrarea dezvolta si aplica tehnici de analiza spectrala in imagistica ultrasonica, tehnici bazate
pe conceptul de reprezentari de tip imagine (C-scan) ale marimilor spectrale caracteristice
semnalelor (ecourilor) generate la interactia unda-defect. Aceasta noua conceptie a fost initiata de autor in lucrari anterioare (ref. [7]) si formulata
(construita) ca metodologie coerenta in cadrul prezentu lui raport al tezei. In noua abordare, evaluarea
formei, marimii si pozitiei defectelor se bazeaza pe analiza comparativa a proprietatilor relevate de
imaginile C-scan ale ampltudinii spectrale maxime, ale frecventei de virf si largimii de banda a semnalelor de ecou, sau de reprezentarile frecven ta-pozitie ale amplitudinii spectrale, obtinute prin
scanarea spatiala a zonei defectului investigat. Prezenta lucrare da un continut concret acestei noi conceptii, elaborand si aplicind
sistematic o tehnica specifica de obtinere a im aginilor spectrale. Aceasta noua metodologie a
imagisticii ultrasonice spectrale a fost aplicata la caracterizarea proprietatilor spectrale ale unor
clase largi de defecte de referinta artificiale, uz inate pe probe metalice cu o geometrie de scanare
adecvata. Plecand de la principiul complementaritatii examinarilor ultrasonice cu alte tipuri de
examinari nedistructive susceptibile de a dezvolta tehnici de imagistica compatibile (de exemplu,
examinari prin curenti turbionari), lucrarea pr opune extinderea noii conceptii a reprezentarilor de
tip
imagine a semnalelor defectoscopice ca o modalitate semnificativa de a pune in valoare
complementaritatea diferitelot tipuri de examinar. In acest mod, devine posibila aplicarea metodelor
de analiza integrata (fuziune) a datelor provenind de la diferite tipuri de examinari complementare
ultrasonice si de curenti turbinari. O astfel de metoda, bazata pe utilizarea retelelor neuronale, a fost dezvoltata de autor in ref. [8]. Pentru evaluarea performantelor si calif icarea metodelor de Imagistica Ultrasonica
Spectrala, s-au utilizat etaloane cu defecte de refe rinta specifice. Caracteristicile dimensionale ale
etaloanelor sunt prezentate in Anexele A1, A2 si A3 la prezentul raport. Etaloanele utilizate contin
55 de defecte artificiale acoperind o gama larga de tipo-dimensiuni, dimensiunile lor caracteristice
fiind situate intre 0,14 mm si 1mm. Examinarile pentru caracterizarea performa ntelor Imagisticii Ultrasonice Spectrale, in
scopul calificarii si aplicarii acestei metode la ana liza naturii defectelor on piese forjate, s-au
efectuat pe etaloane din aliaje de Zr (de tip di sc din zyrcaloy -4, respec tiv de tip inel din Zr-
2.5%Nb), dar si pe
probe de sticla continind defecte eliptice de mici dimensiuni . In contextul
caracterizarii performantelor imagisticii ultrasonice spectrale, studiul defectelor naturale in probe de sticla prezinta o serie de avantaje, printre care:
– Viteza de faza longitudinala in sticla este v
L(sticla)= 5,1 mm/ s, deci cu numai ~ 10% mai
mare decit in probele din aliaje de Zr utilizat e . Din aceasta cauza, spectrul lungimilor de unda si
structura spatiala a cimpului acustic incident vor fi relativ apropiate in cele doua categorii de probe; – Defectele naturale observate in probe de sticla obtinute si prelucrate prin diferite procedee tehnologice sint, in general, goluri de forma elipsoidala, cu excentricitati mergind de la sfera si disc, la defecte aciforme. Gama dimensionala este, deasemenea, foarte larga: de la citiva microni, la 1-2 mm;
– Fiind transparente, probele de sticla permit caracterizarea dimensionala nedistructiva a
defectelor prin metode optice.
In lucrare, s-au investigat 4 probe de sticla , continind defecte de forma unor elipsoizi de
rotatie, avind axele mari cuprinse intre 300
m si 2120m, axele mici fiind, pentru toate probele, in
jurul a 75m.
Masuratorile ultrasonice efectuate au permis obtinerea unui mare volum de date privind caracteristicile spectrale ale celor 55 de defecte investigate. Prelucrarea completa a acestui set de date va face obiectul unei lucrari speciale. Rezultate le obtinute in cadrul prezentei lucrari, discutate
Capitolul xxx Pag.
31
pe larg in capitolul 3 al raportului, demonstreaza ca tehnicile de imagistica ultrasonica elaborate si
echipamentul Nuclear MicroSonic – 01 realizat permit detectia, localizarea si caracterizarea unor
defecte cu dimensiuni minime sub 50 m.
In cadrul lucrarilor aferente tezei, se vor dezvolta si se vor aplica sistematic tehnici de analiza
spectrala conjugate cu imagistica ultrasonica, tehnici bazate pe conceptul de reprezentari de tip
imagine ale marimilor spectrale caracteristice pentru in teractia unda-defect. Aceasta noua conceptie in
defectoscopia ultrasonica spectrala ce va fi dezvolta ta de autor, constituie o contributie importanta a
tezei.
In noua abordare, evaluarea formei, marimii si pozitiei defectelor se bazeaza pe analiza
comparativa a proprietatilor relevate de imaginile C-scan ale ampltudinii spectrale maxime, ale
frecventei de virf si largimii de banda a semnalel or de ecou, sau de reprezentarile frecventa-pozitie
ale amplitudunii spectrale, obtinute prin scanarea sp atiala a zonei defectului investigat. Lucrarile
dezvoltate in cadrul tezei vor da un continut concret acestei noi conceptii, prin elaborarea si
aplicarea sistematica a tehnicilor specifice de obtin ere a imaginilor spectrale. Pe aceasta baza, se
vor analiza proprietatile spectrale ale unor clase la rgi de defecte de referinta, ce prezinta un interes
maxim pentru defectoscopia componentelor forjate.
Plecand de la principiul complementaritatii examinarilor ultrasonice si de curenti turbionari,
se are in vedere ca, in viitor, sa se ex tinda noua conceptie a reprezentarilor de tip imagine a
semnalelor defectoscopice la procesarea datelor de curenti turbionari. In acest mod, devine posibila
aplicarea unor metode de analiza integrata (fuziune) a datelor ultrasonice si de curenti turbinari. O
astfel de metoda, bazata pe utilizarea retelelor neuronale, se preconizeaza a se dezvolta in cadrul companiei Nuclear NDT.
Masuratorile ultrasonice ce se vor efectua in cadrul tezei, vor permite obtinerea unui mare
volum de date privind caracteristicile spectrale ale defectelor investigate. Prelucrarea completa a acestor date este un obiectiv important al tezei.
Rezultatele obtinute vor fi prezentate pe larg in urmatorul raport de cercetare elaborat in
cadrul tezei, raport dedicat « Studiilor de caz ». Se are in vedere si evaluarea performantelor noilor
tehnicile de Imagistica Ultrasonica Spectrala in ceeace priveste detectia, localizarea si
caracterizarea defectelor cu dimensiuni foarte mici (sub 50
m).
5. REFERINTE BIBLIOGRAFICE
[1]. M. Soare.
Proiectul programului de cercetare stiintifica asupra tezei doctorale cu titlul: “Analiza naturii defectelor din piese forjate prin Imagistica si Spectroscopie Ultrasonica”
(Ed. 2 / Decembrie 2010)
[2] V.P. Nikitin, I.V. Korotyshev, V.N. Artyushov, E.O. Sinitsyn, and A.A. Kurdin Clasifying Internal Defects in Forging Based on Flaw – Detection Patterns Obtained by Ultrasound (Matallurgist,Vol. 52, Nos. 5-6, 2008) [3]. R.S. Gilmore, G.J. Czerw The Use of Radiation Field Theory to determine the Size and Shape of Unknown Reflectpors by
Ultrasonic Spectoscopy (Materials Evaluation, January 1977)
[4]. L. Adler, K.V. Cook, W.A. Simpson Ultrasonic Frequency Analysis (in Research Techniques in Nondestructive Testing, Vol. III, Academic Press, 1977)) [5]. J.Krautkramer, H.Krautkramer Ultrasonic Testing of Mate rials (4th Edition, SPRINGER-VERLAG 1990)
[6]. A.H.Harker Elastic waves in solids (Adam Hilger & British Gas, 1988)
[7].
M. Soare
Capitolul xxx Pag.
32
Performance Characterization of Nonde structive Methods for Flaw Detection and Sizing in
CANDU pressure tubes. Part1: Ultras onic Spectroscopy Investigations Using Longitudinal
Waves for Interrogation (IAEA Report No.11277 R0 / Part I, November 2001)
[8]. M. Soare , C. Iordache, A. Calinescu
Recommendation of the Practical Us e of the Various Techniques Capable of Characterizing
Flaw Tip Sharpness in Pressure Tubes using Ultrasonic Spectral Analysis
(AECL Report UC 38323-No.1/1997) [9]. D.K.Mak
Evaluation of Size and Orientation of Scatterers by Ultrasonic Spectroscopy (5
th Dan Pacific Conference on NDT, Vancouver/CANADA,1987)
[10]. L. Adler, A. Jungman, P. Nagy, J. Rose Waveform and Data Analysis Techniques (Handbook of NDT, Ultrasonic Testing, Section 6) [11]. *** Hewlett Packard Spectrum Analysis Basics (Application Note 150, November 1, 1989) [12]. W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, B. P. Flannery Numerical Recipes in C, Ch. 12 – Fast Fourier Transform (Cambridge University Press, 1992) [13]. U. Schlengermann The Characterization of Focusing Ultrason ic Transducers by Means of Single Frequency
Analysis
(Materials Evaluations, vol. 38, no. 12, pp. 73-75, 79)
[14]. U. Schlengermann Application of Images when Evaluating Ultr asonic Examination: Results in Industrial
Practice
(in
M.P. Andre (ed.)- Acoustical Imaging , pag. 375-386, Springer 2007)
[15]. M. G. Silk Ultrasonic Transducers for Nondestructive Testing (Adam Hilger Ltd, Bristol, 1984) [16] Prescott, G.R. and B. Shannon Process equipment problems caused by interaction hidrogen – an overview. (the 45
th Annual Safety
in Ammonia Plants and Related Facilities – Symposium, Tucson, 2000). [17] Mike Wechsler, Mistras Group Non Intrusive Inspection Techniques for High Temperature Hydrogen Attack (Presentation at the 2011 API Inspection Summit, January 24-27 / 2011, Galveston – Texas). [18] Dave Wang, Shell Inspection Techniques for High Temperature Hydrogen Attack (Presentation at the 2011 API Inspection Summit, January 24-27 / 2011, Galveston – Texas).
Anexa A1
Capitolul xxx Pag.
33
Influenta largimii de banda asupra imaginilor ultr asonice ale defectelor de tip gaura cu fund
semisferic (RBH Round Bottom Holes) si gaura cu fund plat (FBH Flat
Bottom Holes). Examinari pe probe metalice de tip disc
Tabelul A.1. Caracteristici dimensionale ale de fectelor de tip gaura cu fund semisferic
(RBH
Round Bottom Holes) si gaura cu fund plat (FBH Flat Bottom Holes)
Cod etalon
(desen 800.95-M.O-
2025) Cod
defect Diametrul
gaurii d
[mm] Grosimea
probei
[mm] Adancimea
gaurii
[mm]
DTS-6 RBH1 0.14 3.80 0.48
DTS-5 RBH2 0.20 3.83 0.68
DTS-4 RBH3 0.30 3.82 0.75
DTS-3 RBH4 0.40 3.80 0.71
DTS-2 RBH5 0.50 3.84 0.75
– FBH0 < 0.15 3.78 0.96
– FBH1 0.15 3.78 0.74
– FBH2 0.20 3.78 0.76
Material : Discuri taiate din bara din aliaj de zirc oniu (zircaloy – 4). Defectele RBH si FBH au
fost uzinate prin electroeroziune, pe directie axiala, in centrul discurilor
Adancimea gaurii h
Diametrul gaurii dFascicol inciden t
Grosimea probei g
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
32
[dB] a )
[dB] b)
[dB] c)
Fig.A1.1. Imaginile C-scan ale defectului RBH2 (d=0,2mm) ob tinute cu traductorii
IAP-FM 25.3.1 (stanga) si IAP-FM 80.3.1 (dreapta), in urmatoarele conditii:
a) semnal de banda larga A(X,Y);
b) semnal de banda ingusta U(X,Y;f max) cu largimea de banda BW=300KHz;
c) semnal de banda ingusta U(X,Y;f max) cu largimea de banda BW=30KHz.
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
33
[dB] a )
[dB] b)
[dB] c)
Fig.A1.2. Imaginile C-scan ale defectului FBH2 (d=0,2mm), obtinute cu traductorii
IAP-FM 25.3.1 (stanga) si IAP-FM 80.3.1 (dreapta), in urmatoarele conditii:
a) semnal de banda larga A(X,Y);
b) semnal de banda ingusta U(X,Y;f max) cu largimea de banda BW=300KHz;
c) semnal de banda ingusta U(X,Y;f max) cu largimea de banda BW=30KHz.
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
34
Anexa A2
Imagini ultrasonice spectrale ale defectel or artificiale uzinate pe probe metalice
A2.1. Caracteristici dimensionale ale defectelor de tip gaura cu fund rotunjit (semisferic) uzinate
pe etalonul US/FD-R-02. Ad ancimea reala a gaurilor h m a fost determinata ultrasonic, prin
masuratori de timp de zbor. Aceste def ecte sunt denumite, generic, de tip “hR ”
Cod defect
hR Diametrul gaurii
d [mm] Adancimea teoretica Nota 1)
ht [mm] Adancimea gaurii
hm [mm]
04R1 0,14 0,4 0,37
08R1 0,14 0,8 0,63
12R1 0,14 1,2 0,33 Nota 2)
04R3 0,3 0,4 0,49
08R3 0,3 0,8 0,72
12R3 0,3 1,2 1,27
04R4 0,4 0,4 0,59
08R4 0,4 0,8 0,63
12R4 0,4 1,2 1,2
04R5 0,5 0,4 0,49
08R5 0,5 0,8 0,80
12R5 0,5 1,2 1,34
04R6 0,6 0,4 0,54
08R6 0,6 0,8 0,73
12R6 0,6 1,2 1,27
04R7 0,7 0,4 0,66
08R7 0,7 0,8 0,78
12R7 0,7 1,2 1,15
04R8 0,8 0,4 0,47
08R8 0,8 0,8 0,78
12R8 0,8 1,2 1,36
04R10 1,0 0,4 0,61
08R10 1,0 0,8 0,75
12R10 1,0 1,2 1,27
Note: 1. Defectul 12R1 este neconform (in timpul executiei, burghiul utilizat s-a rupt, un fragment din acesta ramanand
in interiorul gaurii)
2. Prin „adancime teoretica” se intelege cota nominala specificata in desenul de executie
3. Defectele de tip hR au fost uzinate pe un esantion de tip inel taiat din tub de aliaj de Zr (Zr-2.5%Nb)
conform deesenului de executie cod 108.97-MO-0 pent ru etalonul US/FD-R-02, respectiv cod 107.97-MO-0
pentru etalonul US/FD-H-02 4,25 mm
Adancimea gaurii hm
Diametrul gaurii dFascicol inciden t Tub din Zr-2.5%Nb
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
35
A2.2. Codificarea fisierelor (.bmp) de imagini ultrasonice construite ca reprezentari de tip
C-scan ale marimilor spectrale
Codul fisierelor de date pentru imaginile obtin ute prin scanarea (X;Y) a defectelor si analiza
spectrala a semnalelor ultrasonice de ecou in fiecar e pozitie a cadrului scanat este format din 8
caractere structurate astfel:
c1 c2 c3 c4 e1 f1 s1s2
in care:
– c1 c2 c3 c4 reprezinta tipul defectului scanat, in codificarea din sectiunea 3.1;
– e1 reprezinta ecoul selectat pentru analiza spectrala ( e1=F , pentru achizitie pe ecoul de
fund, respectiv e1=D pentru achizitie pe ecoul de defect);
– f1 reprezinta semnalul utilizat pentru focali zarea fascicolului ultrasonic, pe criteriul
amplitudinii maxime ( f1=D pentru focalizare pe defect, f1=F pentru focalizare pe suprafata
exterioara a tubului, respectiv f1=S in cazul focalizarii pe peretele interior al tubului;
– s1s2 reprezinta marimea spectrala stocata in fisierul respectiv: s1s2=BB pentru
amplitudinea de banda larga (“Broad Band”), s1s2=AM pentru amplitudinea spectrala maxima,
s1s2=FM pentru frecventa de virf (corespunzatoare maximului spectral AM), s1s2=BW pentru
largimea de banda a semnalului de ecou.
A2.3. Codificarea fisierelor (.bmp) de imagini ultrasonice construite ca reprezentari
(frecventa – pozitie) ale amplitudinii spectrale a semnalelor de ecou
Codul fisierelor obtinute prin scanarea uni-dime nsionala a defectelor si analiza spectrala a
semnalelor ultrasonice de ecou in fiecare pozitie a liniei scanate este format din trei variabile,
U V W
in aceasta ordine, cu urmatoarea senmificatie:
– U=c1 c2 c3 c4 , reprezinta tipul defectului scanat, codificat ca in sectiunea 3.1;
– V=[numar intreg] , reprezinta coordonata y =Y 1=const. sau x =X 1=const. , exprimata in
numar de pasi ai motorului pas-cu-pas, corespunzat oare pozitiei liniei X sau Y scanate, in raport cu
originea ( X0,Y0) a cadrului fixat situata, prin conventie, in coltul din stinga – jos a cadrului (in
general, centrul cadrului este fixat pe defect, in in tr-un punct cu simetrie inalta sau dupa criteriul de
semnal maxim); notatia axelor este: X pentru directia circumferentiala si Y pentru directia axiala a
probei de tub de presiune;
– W=X sau Y, reprezinta directia perpendiculara pe directia de scanare.
De exemplu,
F10E28X.bmp
reprezinta imaginea spectrala de tip frecventa-pozitie, pe ntru un defect de tip gaura cu fund plat cu
diametrul de 1mm, imagine obtinuta prin scanarea axiala (paralel cu axa Y) a unui segment situat la pozitia circumferentiala:
X
1=X 0+28 X= -1+28 0,044 = 0,23 mm
unde X= 0,044 mm este rezolutia circumferentiala. La fel, de exemplu,
CCEPFF26Y.bmp
reprezinta imaginea spectrala de tip frecventa-pozitie pentru un defect de tip canal circumferential
exterior cu fund plat, obtinuta prin scanarea circ umferentiala (paralel cu axa X) a unui segment
situat la pozitia axiala:
Y 1=Y 0+26 Y= – 0.5+26 0,025 = 0,15 mm
unde Y= 0,044 mm este rezolutia axiala; s-a lucrat cu achizitie pe ecoul de fund si focalizare pe
peretele exterior al probei de tip tub (inel). In mod similar,
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
36
CCEPFF182X.bmp
reprezinta imaginea spectrala de tip frecventa-pozitie obtinuta pentru acelasi defect, in aceleasi
conditii de tip de semnal si focalizare, dar prin scanarea axiala (paralel cu axa Y) a unui segment, situat la pozitia circumferentiala:
X
1=X 0+26 X= – 4+182 0,022 = 0 mm
unde X= 0,022 mm este rezolutia axiala in acest caz.
Imaginile spectrale de tip frecventa-pozitie sunt specificate, in anumite cazuri, prin notatia
s1 s2 = SP . Rezolutiile de scanare si / sau achizitie s-au stabilit la urmatoarele valori:
(a) pentru defecte de tip gaura radiala (motoare de 200pasi/revolutie):
X=0,044 mm (1pas), scanare si/sau achizitie;
Y=0,025 mm (4pasi), achizitie;
(b) pentru defecte de tip canal (motoare de 400 pasi/revolutie):
X=0,022 mm (1pas), scanare si/sau achizitie;
Y=0,025 mm (8 pasi), achizitie.
A2.3. Imagini ultrasonice spectrale ale defectelor de tip “hR
”
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
37
(gaura cu fund rotunjit / semisferic)
a) RBH2-D-FM b) FBH2-D-FM
c) RBH2-D-BW d) FBH2-D-BW
Fig.A2.1. Imagini spectrale C-scan ale defectelor RBH2 si FBH2 construite ca reprezentari
ale frecventei de virf (notata FM , a) si b)) si largimii de banda (notata BW, c) si d)) pentru
ecoul de defect (notat D). Cele doua defect e au acelasi diametru d=0,2 mm, dar profilul la
virf diferit (rotunjit, notat R si, respectiv, plat, notat F). Se poate observa ca ambele
marimi spectrale au variatii mari in zona defectelor. Domeniul corespunzator unei variatii relative de – 3 dB este apropiat de diametrul defectului, in cazul gaurii cu virf rotunjit.
Abaterile de simetrie observate in cazul gaur ii cu fund plat se datoreaza, cel mai probabil,
unor distorsiuni ale formei la virf a defect ului. S-a lucrat cu focalizare pe defect
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
38
a) RBH2S-F-FM b) FBH2S-F-FM
c) RBH2S-F-BW d) FBH2S-F-BW
Fig. A2.2. Imagini spectrale C- scan ale defectelor RBH2 si FBH2 construite ca
reprezentari ale frecventei de virf (notata FM, a) si b)) si largimii de banda (notata BW,
c) si d)) pentru ecoul de f und (notat F). Variatiile celor doua marimi spectrale in zona
defectelor sunt mai mari decit in cazul ecoul ui de defect (fig. A2.1) si de semn opus
acestora. Abaterile de simetrie in imaginile gau rii cu fund plat se pot observa si in acest
caz. S-a lucrat cu focalizare pe suprafata de incidenta (semnificatia notatiei S)
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
39
a) 4R10DDBB b) F10EDDBB
c) 4R10DDAM d) F10EDDAM
Fig. A2.3. Imagini spectrale C-scan ale defectelor 4R10 si F10E construite ca reprezentari
ale amplitudinii de banda larga (notata BB, a) si b)) si ale amplitudinii spectrale maxime
(notata AM, c) si d)) pentru ecoul de defect (notat D). Cele doua defecte au acelasi
diametru d=1 mm, dar profilul la virf diferit (rotunjit, notat R si, respectiv, plat, notat F).
Se poate observa ca rezolutia laterala a lant ului spectral este mai buna in cazul imaginii
construite cu amplitudinea spectrala maxima, in comparatie cu imaginea in amplitudine de
banda larga. Domeniul variatiei semnificative a semnalelor este mai restrins pentru defectul cu fund rotunjit (in cazul c), acesta es te aproape egal cu diametrul defectului). S-a
lucrat cu focalizare pe defect
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
40
a) 4R10DDFM b) F10EDDFM
c) 4R10DDBW d) F10EDDBW
Fig. A2.4. Imagini spectrale C-scan ale defectelor 4R10 si F10E construite ca reprezentari
ale frecventei de virf (notata FM, a) si b)) si ale largimii de banda (notata BW, c) si d))
pentru ecoul de defect (notat D). Se poate observa ca, datorita diametrului mare al
defectelor (d=1mm) in raport cu diametrul pe tei focale a traductorului utilizat (IAP-FM
80.3.1, cu FD -6dB=90m), variatia acestor marimi spectrale in zona defectelor este mult
mica decit in cazul defectelor RBH2 si FB H2 cu d=0,2mm (fig. A2.1). Datele utilizate in
aceste reprezentari au fost achizitinate in aceeasi masuratoare ca si cele pentru fig. A2.3
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
41
a) 4R10DD-SP (x=0mm)
b) F10EDD-SP (x=0.22mm)
Fig.A2.5. Imagini spectrale ale defectelor 4R10 si F10E construite ca reprezentari
frecventa-pozitie ale amplitudinii spectrale (notat ia SP) pentru ecoul de defect (notat D). Se
poate observa ca, desi defectele au acelasi di ametru, spectrul se ingu steaza considerabil in
zona defectului in cazul gaurii cu virf rot unjit, raminind aproape neschimbat pentru gaura
cu fund plat. Valorile specificate ale coordonatei x reprezinta pozitiile liniilor Y pe care s-au facut scanarile. S-a lucrat cu focalizare pe defect
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
42
46810121416
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Diameter [mm]Frequency [MHz]
h=0.4mm
h = 0.8 mm
h=1.2mm
51015202530
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Diameter [mm]Bandw idth [MHz]
h = 0.4 mm
h = 0.8 mm
h = 1.2 mm
Fig. A2.6. Frecventa de varf si largimea de banda a ecoului de fund in prezenta defectului, in functie
de diametrul acestuia, pentru defecte de tip hR . Datele spectrale utilizate pentru aceasta
reprezentare corespund spectrelor determinate in pozitia de amplitudine maxima a ecoului
de defect (fascicul ultrasonic centrat pe axa defectului) cu traductorul IAP-FM 80.3.1
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
43
1214161820222426283032
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Diameter [mm]Frequency [MHz]
h = 0.4 mm
h = 0.8 mm
h = 1.2 mm
a)
111621263136
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Diameter [mm]Bandw idth [MHz]
h = 0.4 mm
h = 0.8 mm
h = 1.2 mm
Fig.A2.7. Frecv enta de varf si largimea de banda a ecoului de defect in functie de diametrul acestuia,
pentru defecte de tip hR . Datele spectrale utilizate pentru aceasta reprezentare corespund
spectrelor determinate in pozitia de amplitudine maxima a ecoului de defect (fascicul ultrasonic centrat pe axa defectului) cu traductorul IAP-FM 80.3.1
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
44
A2.4. Imagini ultrasonice spectrale ale def ectelor de tip canal (riz) circumferential
cu fund rotunjit sau plat
a) CCEPFFBB b) CCEPFFAM
c)CCERFFBB
Fig. A2.8. Imagini spectrale C-scan ale defect elor de tip canal circumferential exterior
CCEP (cu fund plat, notatia P) si respectiv CCE R (cu fund rotunjit, no tatia R), construite
ca reprezentari ale amplitudinii de banda lar ga (notata BB, a) si c)) si ale amplitudinii
spectrale maxime (notata AM, b)) pentru ecoul de fund (notat F). Cele doua defecte au
aceeasi adincime (a=0,1mm) si aceeasi latime (l=0,2mm). Se poate observa ca domeniul
variatiei semnificative a semnalelor este ma i restrins pentru defectul cu fund rotunjit,
gradientul variatiei axiale a amplitudinii fiind, in acest caz, semnificativ mai mare. S-a
lucrat cu focalizare pe peretele exterior al pr obei de tub de presiune (pe ecoul de fund,
notatia F)
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
45
a)CCEPFF26Y (y=0,15mm) b)CCERFF8Y (y=0,075mm)
c)CCEPFF182X (x=0mm) d)CCEPFF260X (x=1,7mm)
Fig. A2.9. Imagini spectrale ale defectelor ale defectelor de tip canal circumferential
exterior CCEP (cu fund plat, no tatia P) si respectiv CCER (cu fund rotunjit, notatia R)
construite ca reprezentari frecventa-pozitie al e amplitudinii spectrale pentru ecoul de fund
(notat F). Scanarile s-au efectuat pe segmen tele circumferentiale corespunzatoare celor mai
pronuntate scaderi ale amplitudinii de banda larga BB, determinate din reprezentarile C-
scan din fig.A2.5 (y=0,15mm pentrum a) si y=0,075mm pentru b)).Se poate observa ca
deplasarea maximului spectral este mai pronunt ata in cazul defectului cu fund plat, iar
largimea de banda este mai mica in cazul canalu lui cu fund rotunjit. In c) si d) sint date
reprezentarile frecventa-pozitie ale amplitudin ii spectrale pentru doua scanari axiale in
centrul defectului CCEP si, res pectiv, aproape de unul din capetele acestuia. Asemanarea
celor doua imagini este o indicatie a abaterilor mici de forma geometrica ale acestui defect,
uzinat prin electroeroziune. S-a lucrat cu focaliza re pe peretele exterior al probei de tub de
presiune (pe ecoul de fund, notatia F)
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
46
A2.5. Imagini ultrasonice spectrale ale defectelor de tip “aR ”
(gaura axiala – reflexie pe suprafata cilindrica)
Fig.A2.10. Continutul spectral al ecoului de fund (EF) intr-o zona fara defect si al ecourilor
maxime de defect (ED) in cazul defectelor aR de tip gaura axiala. Se poate
observa ca dependenta frecventei de virf si a largimii de banda de diametrul
defectelor este semnificativ mai mica in a cest caz, comparativ cu defectele de tip
gaura radiala (fig.A2.6)
Anexa A3 ES
EFED
EFED(=0,14mm)
ED(=0,4mm)
ED(=0,3mm)
ED(=0,8mm) ED(=0,7mm)
ED(=0,6mm) EF
ED(=1,0mm) ED(=0,5mm)
4,2 mm fascicol
incident
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
47
Imagini ultrasonice spectrale obtinute pe defecte naturale din probe de sticla
Tabelul A3.1. Caracteristicile dimensionale ale defectelor din probele de sticla
Nr.proba Cod proba l[m] L[ m] d[ m]
1 S1 70 2740 77Nota 1
2 S2 63 288 65
3 S3 60 2120 86
4 S4 67 241 –
5 S5 66 833 65
6 S6a 65 221 63
7 S6b 44 62 –
8 S7 65 1000 75
9 S8 59 631 75
10 S9 50 300 75
11 S10 65 250 63
12 S11a 50 102 52
13 S11b 49 154 59 Nota 1
unde:
L = lungimea defectului in sectiune axiala (paralela cu axa X de scanare);
D = latimea maxima a defectului in sectiunea axiala paralela cu planul de incidenta
(axa mica a elipsei paralela cu axa Y de scanare);
l = latimea defectului in sect iune transversala (circumferentiala), pe directia de
incidenta; Note: 1.
In cazul probelor nr. 1 si 13, focalizarea insuficien ta a sistemului optic nu a permis obtinerea unei
imagini clare a marginilor defectului
2. Pentru probele de sticla, s-a lucrat in conditiile de rezolutie stabilite pentru defectele de tip canal.
Fisierele de date pentru aceste probe sunt codificate:
Snx L e1 f1 s1 s2
unde Snx este codul probei conform tabelului A3.1, iar L simbolizeaza faptul ca masuratorile s-au
efectuat cu incidenta intr-un plan orie ntat axial in care defectul are forma lenticulara . Celelalte
variabile au semnificatia din sectiunea A2.2.
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
48
X max=0,3mm; Y max=0,075mm c)S9LDDAM
a)S9LDDSP (y=0mm) d)S9LDDFM
b)S9LDDSP (x=0mm) e)S9LDDBW
Fig.A3.1. Imagini C-scan ale caracteristicilor spectrale si reprezentari pozitie-frecventa pentru ecoul
de defect obtinut pe proba de sticla S9 scanata cu incidenta in planul axial (X;Y), paralel cu axa mare
a defectului eliptic. S-a lucrat cu focalizare pe defect Y
X
Xmax Ymax
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
49
X max=0,63mm; Y max=0,075 mm c)S8LDDAM
a)S8LDDSP (y=0mm) d)S8LDDFM
b)S8LDDSP (x=0,05mm) e)S8LDDBW
Fig.A3.2. Imagini C-scan ale caracteristicilor spectrale si reprezentari pozitie-frecventa pentru ecoul
de defect obtinut pe proba de sticla S8 scanata cu incidenta in planul axial (X;Y), paralel cu axa mare
a defectului eliptic. S-a lucrat cu focalizare pe defect
Y
X
Xmax Ymax
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
50
c)S7LDDAM
a)S7LDDSP (y=0,03mm) d)S7LDDFM
b)S7LDDSP (x=-0,02mm) e)S7LDDBW
Fig.A3.3.
Imagini C-scan ale caracteristicilor spectrale si reprezentari pozitie-frecventa pentru ecoul
de defect obtinut pe proba de sticla S7 scanata cu incidenta in planul axial (X;Y), paralel cu axa mare
a defectului eliptic. S-a lucrat cu focalizare pe defect
Y
X
Xmax Ymax
Xmax=1mm; Y max=0,075mm
Doctorat Raport de cercetare stiintifica Pag.
51
X max=2,12mm; Y max=0,086mm c)S3LDDAM
a)S3LDDSP (y=0,01mm) d)S3LDDFM
b)S3LDDSP (x=0mm) e)S3LDDBW
Fig. A3.4. Imagini C-scan ale caracteristicilor spectrale si reprezentari pozitie-frecventa pentru ecoul
de defect obtinut pe proba de sticla S3 scanata cu incidenta in planul axial (X;Y), paralel cu axa mare
a defectului eliptic. S-a lucrat cu focalizare pe defect Y
X
Xmax Ymax
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: ANALIZA NATURII DEFECTELOR DIN PIESE FORJATE PRIN IMAGISTICA SI SPECTROSCOPIE ULTRASONICA Doctorand: Fiz. Marian Soare Îndrumator științific: Prof…. [602722] (ID: 602722)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.