Глава из I тома руководства по ультразвуковой диагностике, написанного сотрудниками кафедры ультра­звуковой диагностики Российской медицинской академии после­дипломного образования (CD 2001 г) под ред.Митькова В.В.

(Статья обнаружена на просторах Интернета)

1. Физические свойства ультразвука
2. Отражение и рассеивание
3. Датчики и ультразвуковая волна
4. Приборы медленного сканирования
5. Приборы быстрого сканирования
6. Приборы для допплерографии
7. Артефакты
8. Контроль качества работы ультразвуковой аппаратуры
9. Биологическое действие ультразвука и безопасность
10. Новые направления в ультразвуковой диагностике
11. Литература
12. Тестовые вопросы

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАЗВУКА

Применение ультразвука в медицинской диагностике связано с возможностью получения изображения внутренних органов и структур. Основой метода является взаимодействие ультразвука с тканями тела человека. Собственно получение изображения можно разделить на две части. Первая - излучение коротких ультразвуковых импульсов, направленное в исследуемые ткани, и второе - формирование изображения на основе отраженных сигналов. Понимание принципа работы ультразвуковой диагностической установки, знание основ физики ультразвука и его взаимодействия с тканями тела человека помогут избежать механического, бездумного использования прибора, и, следовательно, более грамотно подходить к процессу диагностики.

Звук - это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии (рис. 1).

Рис. 1. Визуальное и графическое представление изменений давления и плотности в ультразвуковой волне.

Волна переносит энергию, но не материю. В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения звука необходима среда - он не может распространяться в вакууме. Как и все волны, звук можно описать рядом параметров. Это частота, длина волны, скорость распространения в среде, период, амплитуда и интенсивность. Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения - средой, а длина волны - и источником звука, и средой. Частота - это число полных колебаний (циклов) за период времени в 1 секунду (рис. 2).

Рис. 2. Частота ультразвуковой волны 2 цикла в 1 с = 2 Гц

Единицами измерения частоты являются герц (Гц) и мегагерц (МГц). Один герц - это одно колебание в секунду. Один мегагерц = 1000000 герц. Что же делает звук "ультра"? Это частота. Верхняя граница слышимого звука - 20000 Гц (20 килогерц (кГц)) - является нижней границей ультра­звукового диапазона. Ультра­звуковые локаторы летучих мышей работают в диапазоне 25÷500 кГц. В современных ультра­звуковых приборах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 МГц и выше. Период - это время, необходимое для получения одного полного цикла колебаний (рис. 3).

Рис. 3. Период ультразвуковой волны.

Единицами измерения периода являются секунда (с) и микросекунда (мкс). Одна микросекунда является одной миллионной долей секунды. Период (мкс) = 1/частота (МГц). Длина волны - это длина, которую занимает в пространстве одно колебание (рис. 4).

Рис. 4. Длина волны.

Единицы измерения - метр (м) и миллиметр (мм). Скорость распространения ультразвука - это скорость, с которой волна перемещается в среде. Единицами скорости распространения ультразвука являются метр в секунду (м/с) и миллиметр в микросекунду (мм/мкс). Скорость распространения ультразвука определяется плотностью и упругостью среды. Скорость распространения ультразвука увеличивается при увеличении упругости и уменьшении плотности срелы. В таблице 2.1 представлены скорости распространения ультразвука в некоторых тканях тела человека.

Усредненная скорость распространения ультразвука в тканях тела человека составляет 1540 м/с - на эту скорость запрограммировано большинство ультразвуковых диагностических приборов. Скорость распространения ультразвука (С), частота (f) и длина волны (λ) связаны между собой следующим уравнением: С = f × λ. Так как в нашем случае скорость считается постоянной (1540 м/с), то оставшиеся две переменные f и λ связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью. Чем выше частота, тем меньше длина волны и тем меньше размеры объектов, которые мы можем увидеть. Еще одним важным параметром среды является акустическое сопротивление (Z). Акустическое сопротивление - это произведение значения плотности среды и скорости распространения ультразвука. Сопротивление (Z) = плотность (р) × скорость распространения (С).

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется не ультразвук, который излучается трансдьюсером непрерывно (постоянной волной), а ультразвук, излучаемый в виде коротких импульсов (импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементу коротких электрических импульсов. Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры. Частота повторения импульсов - это число импульсов, излучаемых в единииу времени (секунду). Частота повторения импульсов из меряете я в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Продолжительность импульса - это временная протяженность одного импульса (рис. 5).

Рис. 5. Продолжительность ультразвукового импульса.

Измеряется в секундах (с) и микросекундах (мкс). Фактор занятости - это часть времени, в которое происходит излучение (в форме импульсов) ультразвука. Пространственная протяженность импульса (ППИ) - это длина пространства, в котором размещается один ультразвуковой импульс (рис. 6).

Рис. 6. Пространственная протяженность импульса.

Для мягких тканей пространственная протяженность импульса (мм) равна произведению 1,54 (скорость распространения ультразвука в мм/мкс) и числа колебаний (циклов) в импульсе (n), отнесенному к частоте в МГц. Или ППИ = 1,54 × n/f. Уменьшения пространственной протяженности импульса можно достичь (а это очень важно для улучшения осевой разрешающей способности) за счет уменьшения числа колебаний в импульсе или увеличения частоты. Амплитуда ультразвуковой волны - это максимальное отклонение наблюдаемой физической переменной от среднего значения (рис. 7).

Рис. 7. Амплитуда ультразвуковой волны

Интенсивность ультразвука - это отношение мощности волны к площади, по которой распределяется ультразвуковой поток. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/кв.см). При равной мощности излучения чем меньше площадь потока, тем выше интенсивность. Интенсивность также пропорциональна квадрату амплитуды. Так, если амплитуда удваивается, то интенсивность учетверяется. Интенсивность неоднородна как по площади потока, так и, в случае импульсного ультразвука, во времени.

При прохождении через любую среду будет наблюдаться уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвукового сигнала, которое называется затуханием. Затухание ультразвукового сигнала вызывается поглощением, отражением и рассеиванием. Единицей затухания является децибел (дБ). Коэффициент затухания - это ослабление ультразвукового сигнала на единииу длины пути этого сигнала (дБ/см). Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты. Усредненные коэффициенты затухания в мягких тканях и уменьшение интенсивности эхосигнала в зависимости от частоты представлены в таблице 2.2.

ОТРАЖЕНИЕ И РАССЕИВАНИЕ

При прохождении ультразвука через ткани на границе сред с различным акустическим сопротивлением и скоростью проведения ультразвука возникают явления отражения, преломления, рассеивания и поглощения. В зависимости от угла говорят о перпендикулярном и наклонном (под углом) падения ультразвукового луча. При перпендикулярном падении ультразвукового луча он может быть полностью отражен или частично отражен, частично проведен через границу двух сред; при этом направление ультразвука, перешедшего из одной среды в другую среду, не изменяется (рис. 8).

Рис. 8. Перпендикулярное падение ультразвукового луча.

Интенсивность отраженного ультразвука и ультразвука, прошедшего границу сред, зависит от исходной интенсивности и разности акустических сопротивлений сред. Отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей волны называется коэффициентом отражения. Отношение интенсивности ультразвуковой волны, прошедшей через границу сред, к интенсивности падающей волны называется коэффициентом проведения ультразвука. Таким образом, если ткани имеют различные плотности, но одинаковое акустическое сопротивление - отражения ультразвука не будет. С другой стороны, при большой разнице акустических сопротивлений интенсивность отражения стремится к 100%. Примером этого служит граница воздух/мягкие ткани. На границе этих сред происходит практически полное отражение ультразвука. Чтобы улучшить проведение ультразвука в ткани тела человека, используют соединительные среды (гель). При наклонном падении ультразвукового луча определяют угол падения, угол отражения и угол преломления (рис. 9).

Рис. 9. Отражение, преломление.

Угол падения равен углу отражения. Преломление - это изменение направления распространения ультразвукового луча при пересечении им границы сред с различными скоростями проведения ультразвука. Синус угла преломления равен произведению синуса угла падения на величину, полученную от деления скорости распространения ультразвука во второй среде на скорость в первой. Синус угла преломления, а, следовательно, и сам угол преломления тем больше, чем больше разность скоростей распространения ультразвука в двух средах. Преломление не наблюдается, если скорости распространения ультразвука в двух средах равны или угол падения равен 0. Говоря об отражении, следует иметь в виду, что в том случае, когда длина волны много больше размеров неровностей отражающей поверхности, имеет место зеркальное отражение (описанное выше). В случае, если длина волны сопоставима с неровностями отражающей поверхности или имеется неоднородность самой среды, происходит рассеивание ультразвука.

Рис. 10. Обратное рассеивание.

При обратном рассеивании (рис. 10) ультразвук отражается в том направлении, откуда пришел исходный луч. Интенсивность рассеянных сигналов увеличивается с увеличением неоднородности среды и увеличением частоты (т.е. уменьшением длины волны) ультразвука. Рассеивание относительно мало зависит от направления падающего луча и, следовательно, позволяет лучше визуализировать отражающие поверхности, не говоря уже о паренхиме органов. Для того, чтобы отраженный сигнал был правильно расположен на экране, необходимо знать не только направление излученного сигнала, но и расстояние до отражателя. Это расстояние равно 1/2 произведения скорости ультразвука в среде на время между излучением и приемом отраженного сигнала (рис. 11). Произведение скорости на время делится пополам, так как ультразвук проходит двойной путь (от излучателя до отражателя и назад), а нас интересует только расстояние от излучателя до отражателя.

Рис. 11. Измерение расстояния с помощью ультразвука.

ДАТЧИКИ И УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ВОЛНА

Для получения ультразвука используются специальные преобразователи - трансдьюсеры, которые превращают электрическую энергию в энергию ультразвука. Получение ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Суть эффекта состоит в том, что если к определенным материалам (пьезоэлектрикам) приложить электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы (рис. 12).

Рис. 12. Обратный пьезоэлектрический эффект.

С этой целью в ультразвуковых приборах чаще всего применяются искусственные пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. При отсутствии электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в обратном направлении. Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный ток, то элемент начнет с высокой частотой сжиматься и расширяться (т.е. колебаться), генерируя ультразвуковое поле. Рабочая частота трансдьюсера (резонансная частота} определяется отношением скорости распространения ультразвука в пьезоэлементе к удвоенной толщине этого пьезоэлемента. Детектирование отраженных сигналов базируется на прямом пьезоэлектрическом эффекте (рис. 13).

Рис. 13. Прямой пьезоэлектрический эффект.

Возвращающиеся сигналы вызывают колебания пьезоэлемента и появление на его гранях переменного электрического тока. В этом случае пьезоэлемент функционирует как ультразвуковой датчик. Обычно в ультразвуковых приборах для излучения и приема ультразвука используются одни и те же элементы. Поэтому термины "преобразователь", "трансдьюсер", "датчик" являются синонимами. Ультразвуковые датчики представляют собой сложные устройства и, в зависимости от способа развертки изображения, делятся на датчики для приборов медленного сканирования (одноэлементные) и быстрого сканирования (сканирования в реальном времени) - механические и электронные. Механические датчики могут быть одно- и многоэлементные (анулярные). Развертка ультразвукового луча может достигаться за счет качания элемента, вращения элемента или качания акустического зеркала (рис. 14).

Рис. 14. Механические секторные датчики.

Изображение на экране в этом случае имеет форму сектора (секторные датчики) или окружности (круговые датчики). Электронные датчики являются многоэлементными и в зависимости от формы получаемого изображения могут быть секторными, линейными, конвексными (выпуклыми) (рис. 15).

Рис. 15. Электронные многоэлементные датчики.

Развертка изображения в секторном датчике достигается за счет качания ультразвукового луча с его одновременной фокусировкой (рис. 16).

Рис. 16. Электронный секторный датчик с фазированной антенной.

В линейных и конвексных датчиках развертка изображения достигается путем возбуждения группы элементов с пошаговым их перемещением вдоль антенной решетки с одновременной фокусировкой (рис. 17).

Рис. 17. Электронный линейный датчик.

Ультразвуковые датчики в деталях отличаются устройством друг от друга, однако их принципиальная схема представлена на рисунке 18.

Рис. 18. Устройство ультразвукового датчика.

Одноэлементный трансдьюсер в форме диска в режиме непрерывного излучения образует ультразвуковое поле, форма которого меняется в зависимости от расстояния (рис. 19).

Рис. 19. Два поля нефокусированного трансдьюсера.

Иногда могут наблюдаться дополнительные ультразвуковые "потоки", получившие названия боковых лепестков. Расстояние от диска на длину протяженности ближнего поля (зоны) называется ближней зоной. Зона за границей ближней называется дальней. Протяженность ближней зоны равна отношению квадрата диаметра трансдьюсера к 4 длинам волны. В дальней зоне диаметр ультразвукового поля увеличивается. Место наибольшего сужения ультразвукового луча называется зоной фокуса, а расстояние между трансдьюсером и зоной фокуса - фокусным расстоянием. Существуют различные способы фокусировки ультразвукового луча. Наиболее простым способом фокусировки является акустическая линза (рис. 20).

Рис. 20. Фокусировка с помощью акустической линзы.

С ее помощью можно сфокусировать ультразвуковой луч на определенной глубине, которая зависит от кривизны линзы. Данный способ фокусировки не позволяет оперативно изменять фокусное расстояние, что неудобно в практической работе. Другим способом фокусировки является использование акустического зеркала (рис. 21).

Рис. 21. Фокусировка с помощью акустического зеркала.

В этом случае, изменяя расстояние между зеркалом и трансдьюсером, мы будем менять фокусное расстояние. В современных приборах с многоэлементными электронными датчиками основой фокусировки является электронная фокусировка (рис. 17). Имея систему электронной фокусировки, мы можем с панели прибора изменять фокусное расстояние, однако, для каждого изображения мы будем иметь только одну зону фокуса. Так как для получения изображения используются очень короткие ультразвуковые импульсы, излучаемые 1000 раз в секунду (частота повторения импульсов 1 кГц), то 99,9% времени прибор работает как приемник отраженных сигналов. Имея такой запас времени, возможно запрограммировать прибор таким образом, чтобы при первом получении изображения была выбрана ближняя зона фокуса (рис. 22) и информация, полученная с этой зоны, была сохранена.

Рис. 22. Способ динамической фокусировки.

Далее - выбор следующей зоны фокуса, получение информации, сохранение. И так далее. В результате получается комбинированное изображение, сфокусированное по всей глубине. Следует, правда, отметить, что такой способ фокусировки требует значительных временных затрат на получение одного изображения (кадра), что вызывает уменьшение частоты кадров и мерцание изображения. Почему же столько усилий прикладывается для фокусировки ультразвукового луча? Дело в том, что чем уже луч, тем лучше боковая (латеральная, по азимуту) разрешающая способность. Боковая разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными перпендикулярно направлению распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 23).

Рис. 23. Способ динамической фокусировки.

Боковая разрешающая способность равна диаметру ультразвукового луча. Осевая разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными вдоль направления распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 24).

Рис. 24. Осевая разрешающая способность: чем короче ультразвуковой импульс, тем она лучше.

Осевая разрешающая способность зависит от пространственной протяженности ультразвукового импульса - чем короче импульс, тем лучше разрешение. Для укорочения импульса используется как механическое, так и электронное гашение ультразвуковых колебаний. Как правило, осевая разрешающая способность лучше боковой.

ПРИБОРЫ МЕДЛЕННОГО СКАНИРОВАНИЯ

В настоящее время приборы медленного (ручного, сложного) сканирования представляют лишь исторический интерес. Морально они умерли с появлением приборов быстрого сканирования (приборов, работающих в реальном времени). Однако их основные компоненты сохраняются и в современных приборах (естественно, с использованием современной элементной базы). Сердцем является главный генератор импульсов (в современных аппаратах - мощный процессор), который управляет всеми системами ультразвукового прибора (рис. 25).

Рис. 25. Блок-схема ручного сканера.

Генератор импульсов посылает электрические импульсы на трансдьюсер, который генерирует ультразвуковой импульс и направляет его в ткани, принимает отраженные сигналы, преобразовывая их в электрические колебания. Эти электрические колебания далее направляются на радиочастотный усилитель, к которому обычно подключается временно-амплитудный регулятор усиления (ВАРУ) - регулятор компенсации тканевого поглощения по глубине. Ввиду того, что затухание ультразвукового сигнала в тканях происходит по экспоненциальному закону, яркость объектов на экране с увеличением глубины прогрессивно падает (рис. 26).

Рис. 26. Компенсация тканевого поглощения.

Использование линейного усилителя, т.е. усилителя, пропорционально усиливающего все сигналы, привело бы к переусилению сигналов в непосредственной близости от датчика при попытке улучшения визуализации глубоко расположенных объектов. Использование логарифмических усилителей позволяет решить эту проблему. Ультразвуковой сигнал усиливается пропорционально времени задержки его возвращения - чем позже вернулся, тем сильнее усиление. Таким образом, применение ВАРУ позволяет получить на экране изображение одинаковой яркости по глубине. Усиленный таким образом радиочастотный электрический сигнал подается затем на демодулятор, где он выпрямляется и фильтруется и еще раз усиленный на видеоусилителе подается на экран монитора.

Для сохранения изображения на экране монитора необходима видеопамять. Она может быть разделена на аналоговую и цифровую. Первые мониторы позволяли представлять информацию в аналоговой бистабильной форме. Устройство, называемое дискриминатором, позволяло изменять порог дискриминации - сигналы, интенсивность которых была ниже порога дискриминации, не проходили через него и соответствующие участки экрана оставались темными. Сигналы, интенсивность которых превышала порог дискриминации, представлялись на экране в виде белых точек. При этом яркость точек не зависела от абсолютного значения интенсивности отраженного сигнала - все белые точки имели одинаковую яркость. При таком способе представления изображения - он получил название «бистабильный» - хорошо были видны границы органов и структуры с высокой отражающей способностью (например, почечный синус), однако, оценить структуру паренхиматозных органов не представлялось возможным. Появление в 70-х годах приборов, которые позволяли передавать на экране монитора оттенки серого цвета, знаменовало начало эры серошкальных приборов. Эти приборы давали возможность получать информацию, которая была недостижима при использовании приборов с бистабильным изображением. Развитие компьютерной техники и микроэлектроники позволило вскоре перейти от аналоговых изображений к цифровым. Цифровые изображения в ультразвуковых установках формируются на больших матрицах (обычно 512 × 512 пикселов) с числом градаций серого 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 бит). При визуализации на глубину 20 см на матрице 512 × 512 пикселов один пиксел будет соответствовать линейным размерам в 0,4 мм. На современных приборах имеется тенденция к увеличению размеров дисплеев без потери качества изображения и на приборах среднего класса 12-дюймовый (30 см по диагонали) экран становится обычным явлением.

Электронно-лучевая трубка ультразвукового прибора (дисплей, монитор) использует остро сфокусированный пучок электронов для получения яркого пятна на экране, покрытом специальным фосфором. С помощью отклоняющих пластин это пятно можно перемещать по экрану.

При А-типе развертки (Amplitude) по одной оси откладывается расстояние от датчика, по другой - интенсивность отраженного сигнала (рис. 27).

Рис. 27. А-тип развертки сигнала.

В современных приборах А-тип развертки практически не используется.

В-тип развертки (Brightness - яркость) позволяет вдоль линии сканирования получить информацию об интенсивности отраженных сигналов в виде различия яркости отдельных точек, составляющих эту линию.

Пример экрана: слева развёртка B , справа - M и кардиограмма.

М-тип (иногда ТМ) развертки (Motion - движение) позволяет регистрировать движение (перемещение) отражающих структур во времени. При этом по вертикали регистрируются перемещения отражающих структур в виде точек различной яркости, а по горизонтали - смещение положения этих точек во времени (рис. 28).

Рис. 28. М-тип развертки.

Для получения двумерного томографического изображения необходимо тем или иным образом произвести перемещение линии сканирования вдоль плоскости сканирования. В приборах медленного сканирования это достигалось перемещением датчика вдоль поверхности тела пациента вручную.

ПРИБОРЫ БЫСТРОГО СКАНИРОВАНИЯ

Приборы быстрого сканирования, или, как их чаще называют, приборы, работающие в реальном времени, в настоящее время полностью заменили приборы медленного, или ручного, сканирования. Это связано с целым рядом преимуществ, которыми обладают эти приборы: возможность оценивать движение органов и структур в реальном времени (т.е. практически в тот же момент времени); резкое уменьшение затрат времени на исследование; возможность проводить исследования через небольшие акустические окна.

Если приборы медленного сканирования можно сравнить с фотоаппаратом (получение неподвижных изображений), то приборы, работающие в реальном времени - с кино, где неподвижные изображения (кадры) с большой частотой сменяют друг друга, создавая впечатление движения.

В приборах быстрого сканирования используются, как уже говорилось выше, механические и электронные секторные датчики, электронные линейные датчики, электронные конвексные (выпуклые) датчики, механические радиальные датчики.

Некоторое время назад на ряде приборов появились трапециевидные датчики, поле зрения которых имело трапециевидную форму, однако, они не показали преимуществ относительно конвексных датчиков, но сами имели целый ряд недостатков.

В настоящее время наилучшим датчиком для исследования органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза является конвексный. Он обладает относительно небольшой контактной поверхностью и очень большим полем зрения в средней и дальней зонах, что упрощает и ускоряет проведение исследования.

При сканировании ультразвуковым лучом результат каждого полного прохода луча называется кадром. Кадр формируется из большого количества вертикальных линий (рис. 29).

Рис. 29. Формирование изображения отдельными линиями.

Каждая линия - это как минимум один ультразвуковой импульс. Частота повторения импульсов для получения серошкального изображения в современных приборах составляет 1 кГц (1000 импульсов в секунду).

Существует взаимосвязь между частотой повторения импульсов (ЧПИ), числом линий, формирующих кадр, и количеством кадров в единицу времени: ЧПИ = число линий × частота кадров .

На экране монитора качество получаемого изображения будет определяться, в частности, плотностью линий. Для линейного датчика плотность линий (линий/см) является отношением числа линий, формирующих кадр, к ширине части монитора, на котором формируется изображение.

Для датчика секторного типа плотность линий (линий/градус) - отношение числа линий, формирующих кадр, к углу сектора.

Чем выше частота кадров, установленная в приборе, тем (при заданной частоте повторения импульсов) меньше число линий, формирующих кадр, меньше плотность линий на экране монитора, ниже качество получаемого изображения. Зато при высокой частоте кадров мы имеем хорошее временное разрешение, что очень важно при эхо­кардио­графичес­ких исследованиях.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ДОППЛЕРОГРАФИИ

Ультразвуковой метод исследования позволяет получать не только информацию о структурном состоянии органов и тканей, но и характеризовать потоки в сосудах. В основе этой способности лежит эффект Допплера - изменение частоты принимаемого звука при движении относительно среды источника или приемника звука или тела, рассеивающего звук. Он наблюдается из-за того, что скорость распространения ультразвука в любой однородной среде является постоянной. Следовательно, если источник звука движется с постоянной скоростью, звуковые волны, излучаемые в направлении движения как бы сжимаются, увеличивая частоту звука. Волны, излучаемые в обратном направлении, как бы растягиваются, вызывая снижение частоты звука (рис. 30).

Рис. 30. Эффект Допплера.

Путем сопоставления исходной частоты ультразвука с измененной возможно определить долллеровский сдвиг и рассчитать скорость. Не имеет значения, излучается ли звук движущимся объектом или этот объект отражает звуковые волны. Во втором случае источник ультразука может быть неподвижным (ультразвуковой датчик), а в качестве отражателя ультразвуковых волн могут выступать движущиеся эритроциты. Допплеровский сдвиг может быть как положительным (если отражатель движется к источнику звука), так и отрицательным (если отражатель движется от источника звука). В том случае, если направление падения ультразвукового луча не параллельно направлению движения отражателя, необходимо скорректировать допплеровский сдвиг на косинус угла q между падающим лучом и направлением движения отражателя (рис. 31).

Рис. 31. Угол между падающим лучом и направлением тока крови.

Для получения допплеровской информации применяются два типа устройств - постоянно­волновые и импульсные. В постоянно­волновом допплеровском приборе датчик состоит из двух трансдьюсеров: один из них постоянно излучает ультразвук, другой постоянно принимает отраженные сигналы. Приемник определяет допплеровский сдвиг, который обычно составляет-1/1000 частоты источника ультразвука (слышимый диапазон) и передает сигнал на громкоговорители и, параллельно, на монитор для качественной и количественной оценки кривой. Постоянно­волновые приборы детектируют кровоток почти по всему ходу ультразвукового луча или, другими словами, имеют большой контрольный объем. Это может вызвать получение неадекватной информации при попадании в контрольный объем нескольких сосудов. Однако большой контрольный объем бывает полезен при расчете падения давления при стенозе клапанов сердца.

Для того, чтобы оценить кровоток в какой-либо конкретной области, небходимо разместить контрольный объем в исследуемой области (например, внутри определенного сосуда) под визуальным контролем на экране монитора. Это может быть достигнуто при использовании импульсного прибора. Существует верхний предел допплеровского сдвига, который может быть детектирован импульсными приборами (иногда его называют пределом Найквиста). Он составляет примерно 1/2 частоты повторения импульсов. При его превышении происходит искажение допплеровского спектра (aliasing). Чем выше частота повторения импульсов, тем больший допплеровский сдвиг может быть определен без искажений, однако тем ниже чувствительность прибора к низко­скоростным потокам.

Ввиду того, что ультразвуковые импульсы, направляемые в ткани, содержат большое количество частот помимо основной, а также из-за того, что скорости отдельных участков потока неодинаковы, отраженный импульс состоит из большого количества различных частот (рис. 32).

Рис. 32. График спектра ультразвукового импульса.

С помощью быстрого преобразования Фурье частотный состав импульса может быть представлен в виде спектра, который может быть изображен на экране монитора в виде кривой, где по горизонтали откладываются частоты допплеровского сдвига, а по вертикали - амплитуда каждой составляющей. По допплеровскому спектру возможно определять большое количество скоростных параметров кровотока (максимальная скорость, скорость в конце диастолы, средняя скорость и т.д.), однако эти показатели являются угол­зависимыми и их точность крайне зависит от точности коррекции угла. И если в крупных неизвитых сосудах коррекция угла не вызывает проблем, то в мелких извитых сосудах (сосуды опухоли) определить направление потока достаточно сложно. Для решения этой проблемы был предложен ряд почти угол­независимых индексов, наиболее рас­простра­нен­ными из которых являются индекс резистентности и пульсаторный индекс. Индекс резистентности является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к максимальной скорости потока (рис. 33). Пульсаторный индекс является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к средней скорости потока.

Рис. 33. Расчет индекса резистентности и пульсаторного индекса.

Получение допплеровского спектра с одного контрольного объема позволяет оценивать кровоток в очень небольшом участке. Цветовая визуализация потоков (цветовое допплеровское картирование) позволяет получать двумерную информацию о кровотоках в реальном времени в дополнение к обычной серошкальной двумерной визуализации. Цветовая допплеровская визуализация расширяет возможности импульсного принципа получения изображения. Сигналы, отраженные от неподвижных структур, распознаются и представляются в серошкальном виде. Если отраженный сигнал имеет частоту, отличную от излученного, то это означает, что он отразился от движущегося объекта. В этом случае производится определение допплеровского сдвига, его знак и величина средней скорости. Эти параметры используются для определения цвета, его насыщенности и яркости. Обычно направление потока к датчику кодируется красным, а от датчика - синим цветом. Яркость цвета определяется скоростью потока.

В последние годы появился вариант цветового допплеровского картирования, получивший название "энергетического допплера" (Power Doppler). При энергетическом допплере определяется не значение допплеровского сдвига в отраженном сигнале, а его энергия. Такой подход позволяет повысить чувствительность метода к низким скоростям, сделать его почти угол­независимым, правда, ценой потери возможности определения абсолютного значения скорости и направления потока.

АРТЕФАКТЫ

Артефакт в ультразвуковой диагностике - это появление на изображении несуществующих структур, отсутствие существующих структур, неправильное расположение структур, неправильная яркость структур, неправильные очертания структур, неправильные размеры структур. Реверберация, один из наиболее часто встречающихся артефактов, наблюдается в том случае, если ультразвуковой импульс попадает между двумя или более отражающими поверхностями. При этом часть энергии ультразвукового импульса многократно отражается от этих поверхностей, каждый раз частично возвращаясь к датчику через равные промежутки времени (рис. 34).

Рис. 34. Реверберация.

Результатом этого будет появление на экране монитора несуществующих отражающих поверхностей, которые будут располагаться за вторым отражателем на расстоянии равном расстоянию между первым и вторым отражателями. Уменьшить реверберации иногда удается изменением положения датчика. Вариантом реверберации является артефакт, получивший название "хвост кометы". Он наблюдается в том случае, когда ультразвук вызывает собственные колебания объекта. Этот артефакт часто наблюдается позади мелких пузырьков газа или мелких металлических предметов. Ввиду того, что далеко не всегда весь отраженный сигнал возвращается к датчику (рис. 35), возникает артефакт эффективной отражательной поверхности, которая меньше реальной отражательной поверхности.

Рис. 35. Эффективная отражательная поверхность.

Из-за этого артефакта определяемые с помощью ультразвука размеры конкрементов обычно немного меньше, чем истинные. Преломление может вызывать неправильное положение объекта на полученном изображении (рис. 36).

Рис. 36. Эффективная отражательная поверхность.

В том случае, если путь ультразвука от датчика к отражающей структуре и назад не является одним и тем же, возникает неправильное положение объекта на полученном изображении. Зеркальные артефакты - это появление объекта, находящегоя по одну сторону сильного отражателя с его другой стороны (рис. 37).

Рис. 37. Зеркальный артефакт.

Зеркальные артефакты часто возникают около диафрагмы.

Артефакт акустической тени (рис. 38) возникает за сильно отражающими или сильно поглощающими ультразвук структурами. Механизм образования акустической тени аналогичен формированию оптической.

Рис. 38. Акустическая тень.

Артефакт дистального лсевдоусиления сигнала (рис. 39) возникает позади слабо поглощающих ультразвук структур (жидкостные, жидкостьсодержащие образования).

Рис. 39. Дистальное псевдоусиление эха.

Артефакт боковых теней связан с преломлением и, иногда, интерференцией ультразвуковых волн при падении ультразвукового луча по касательной на выпуклую поверхность (киста, шеечный отдел желчного пузыря) структуры, скорость прохождения ультразвука в которой существенно отличается от окружающих тканей (рис. 40).

Рис. 40. Боковые тени.

Артефакты, связанные с неправильным определением скорости ультразвука, возникают из-за того, что реальная скорость распространения ультразвука в той или иной ткани больше или меньше усредненной (1,54 м/с) скорости, на которую запрограммирован прибор (рис. 41).

Рис. 41. Искажения из-за различия в скорости проведения ультразвука (V1 и V2) различными средами.

Артефакты толщины ультразвукового луча - это появление, главным образом в жидкостьсодержащих органах, пристеночных отражений, обусловленных тем, что ультразвуковой луч имеет конкретную толщину и часть этого луча может одновременно формировать изображение органа и изображение рядом расположенных структур (рис. 42).

Рис. 42. Артефакт толщины ультразвукового луча.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АППАРАТУРЫ

Контроль качества ультразвукового оборудования включает в себя определение относительной чувствительности системы, осевой и боковой разрешающей способностей, мертвой зоны, правильности работы измерителя расстояния, точности регистрации, правильности работы ВАРУ, определение динамического диапазона серой шкалы и т.д. Для контроля качества работы ультразвуковых приборов используются специальные тест-объекты или тканево-эквивалентные фантомы (рис. 43). Они являются коммерчески доступными, однако в нашей стране мало распространены, что делает практически невозможным провести поверку ультразвукового диагностического оборудования на местах.

Рис. 43. Тест-объект Американского института ультразвука в медицине.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА И БЕЗОПАСНОСТЬ

Биологическое действие ультразвука и его безопасность для больного постоянно дискутируется в литературе. Знания о биологическом воздействии ультразвука базируются на изучении механизмов воздействия ультразвука, изучении эффекта воздействия ультразвука на клеточные культуры, экспериментальных исследованиях на растениях, животных и, наконец, на эпидемиологических исследованиях.

Ультразвук может вызывать биологическое действие путем механических и тепловых воздействий. Затухание ультразвукового сигнала происходит из-за поглощения, т.е. превращения энергии ультразвуковой волны в тепло. Нагрев тканей увеличивается с увеличением интенсивности излучаемого ультразвука и его частоты. Кавитация - это образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью. Одной из причин возникновения кавитации может являться ультразвуковая волна. Так вреден ультразвук или нет?

Исследования, связанные с воздействием ультразвука на клетки, экспериментальные работы на растениях и животных, а также эпидемиологические исследования позволили сделать Американскому институту ультразвука в медицине следующее заявление, которое в последний раз было подтверждено в 1993 году:

"Никогда не сообщалось о подтвержденных биологических эффектах у пациентов или лиц, работающих на приборе, вызванных облучением (ультразвуком), интенсивность которого типична для современных ультразвуковых диагностических установок. Хотя существует возможность, что такие биологические эффекты могут быть выявлены в будущем, современные данные указывают, что польза для больного при благоразумном использовании диагностического ультразвука перевешивает потенциальный риск, если таковой вообще существует".

НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКЕ

Происходит бурное развитие ультразвуковой диагностики, постоянное совершенствование ультразвуковых диагностических приборов. Можно предположить несколько основных направлений будущего развития этого диагностического метода.

Возможно дальнейшее совершенствование допплеровских методик, особенно таких, как энергетический допплер, допплеровская цветовая визуализация тканей.

Трехмерная эхография в будущем может стать весьма важным направлением ультразвуковой диагностики. В настоящий момент существуют несколько коммерчески доступных ультразвуковых диагностических установок, позволяющих проводить трехмерную реконструкцию изображений, однако, пока клиническое значение этого направление остается неясным.

Концепция применения ультразвуковых контрастов была впервые выдвинута R.Gramiak и P.M.Shah в конце шестидесятых при эхокардиографическом исследовании. В настоящее время существует коммерчески доступный контраст "Эховист" (Шеринг), применяемый для визуализации правых отделов сердца. Недавно он был модифицирован с уменьшением размеров частиц контраста и может рециркулировать в кровеносной системе человека ("Левовист", Шеринг). Этот препарат существенно улучшает допплеровский сигнал, как спектральный, так и цветовой, что может оказаться существенным для оценки опухолевого кровотока.

Внутриполостная эхография с использованием ультратонких датчиков открывает новые возможности для исследования полых органов и структур. Однако в настоящее время широкое применение этой методики ограничивается высокой стоимостью специализированных датчиков, которые к тому же могут применяться для исследования ограниченное число раз (1÷40).

Компьютерная обработка изображений с целью объективизации получаемой информации является перспективным направлением, которое может в будущем улучшить точность диагностики незначительных структурных изменений в паренхиматозных органах. К сожалению, полученные к настоящему времени результаты существенного клинического значения не имеют.

Тем не менее то, что еще вчера казалось в ультразвуковой диагностике далеким будущим, стало сегодня обычной рутинной практикой и, вероятно, в ближайшее время мы станем свидетелями внедрения новых ультразвуковых диагностических методик в клиническую практику.

ЛИТЕРАТУРА

1. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Bioeffects Committee. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R14.
2. AIUM Evaluation of Biological Effects Research Reports. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
3. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Safety Statements. - J. Ultrasound Med.- 1983; 2: R69.
4. American Institute of Ultrasound in Medicine. Statement on Clinical Safety. - J. Ultrasound Med. - 1984; 3: R10.
5. Banjavic RA. Design and maintenance of a quality assurance for diagnostic ultrasound equipment. - Semin. Ultrasound - 1983; 4: 10-26.
6. Bioeffects Committee. Safety Considerations for Diagnostic Ultrasound. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1991.
7. Bioeffects Conference Subcommittee. Bioeffects and Safety of Diagnostic Ultrasound. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1993.
8. Eden A. The Search for Christian Doppler. New York, Springer-Verlag, 1992.
9. Evans DH, McDicken WN, Skidmore R, et al. Doppler Ultrasound: Physics, Instrumentation, and Clinical Applications. New York, Wiley & Sons, 1989.
10. Gill RW. Measurement of blood flow by ultrasound: accuracy and sources of errors. - Ultrasound Med. Biol. - 1985; 11: 625-641.
11. Guyton AC. Textbook of Medical Physiology. 7th edition. Philadelphia, WB Saunders, 1986, 206-229.
12. Hunter ТВ, Haber K. A comparison of real-time scanning with conventional static B-mode scanning. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: 363-368.
13. Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Doppler Color Flow Imaging. New York, Churchill Livingstone, 1988.
14. Kremkau FW. Biological effects and possible hazards. In: Campbell S, ed. Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. London, WB Saunders, 1983, 395-405.
15. Kremkau FW. Doppler angle error due to refraction. - Ultrasound Med. Biol. - 1990; 16: 523-524. - 1991; 17: 97.
16. Kremkau FW. Doppler shift frequency data. - J. Ultrasound Med. - 1987; 6: 167.
17. Kremkau FW. Safety and long-term effects of ultrasound: What to tell your patients. In: Platt LD, ed. Perinatal Ultrasound; Clin. Obstet. Gynecol.- 1984; 27: 269-275.
18. Kremkau FW. Technical topics (a column appearing bimonthly in the Reflections section). - J. Ultrasound Med. - 1983; 2.
19. Laing FC. Commonly encountered artifacts in clinical ultrasound. - Semin. Ultrasound -1983; 4: 27-43.
20. Merrit CRB, ed. Doppler Color Imaging. New York, Churchill Livingstone, 1992.
21. MilnorWR. Hemodynamics. 2nd edition. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
22. Nachtigall PE, Moore PWB. Animal Sonar. New York, Plenum Press, 1988.
23. Nichols WW, O"Rourke MF. McDonald"s Blood Flow in Arterials. Philadelphia, Lea &Febiger, 1990.
24. Powis RL, Schwartz RA. Practical Doppler Ultrasound for the Clinician. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
25. Safety Considerations for Diagnostic Ultrasound. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
26. Smith HJ, Zagzebski J. Basic Doppler Physics. Madison, Wl, Medical Physics Publishing, 1991.
27. Zweibel WJ. Review of basic terms in diagnostic ultrasound. - Semin. Ultrasound - 1983; 4: 60-62.
28. Zwiebel WJ. Physics. - Semin. Ultrasound - 1983; 4:1-62.
29. П. Голямина, гл. ред. Ультразвук. Москва, "Советская Энциклопедия", 1979.

ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основой ультразвукового метода исследования является:
   A. визуализация органов и тканей на экране прибора
   Б. взаимодействие ультразвука с тканями тела человека
   B. прием отраженных сигналов
   Г. излучение ультразвука
   Д. серошкальное представление изображения на экране прибора
2. Ультразвук - это звук, частота которого не ниже:
   A. 15 кГц
   Б. 20000 Гц
   B. 1 МГц Г. 30 Гц Д. 20 Гц
3. Скорость распространения ультразвука возрастает, если:
   A. плотность среды возрастает
   Б. плотность среды уменьшается
   B. упругость возрастает
   Г. плотность, упругость возрастают
   Д. плотность уменьшается, упругость возрастает
4. Усредненная скорость распространения ультразвука в мягких тканях составляет:
   A. 1450 м/с
   Б. 1620 м/с
   B. 1540 м/с
   Г. 1300 м/с
   Д. 1420 м/с
5. Скорость распространения ультразвука определяется:
   A. частотой
   Б. амплитудой
   B. длиной волны
   Г. периодом
   Д. средой
6. Длина волны в мягких тканях с увеличением частоты:
   A. уменьшается
   Б. остается неизменной
   B. увеличивается
7. Имея значения скорости распространения ультразвука и частоты, можно расчитать:
   A. амплитуду
   Б. период
   B. длину волны
   Г. амплитуду и период Д. период и длину волны
8. С увеличением частоты коэффициент затухания в мягких тканях:
   A. уменьшается
   Б. остается неизменным
   B. увеличивается
9. Какой из следующих параметров определяет свойства среды, через которую проходит ультразвук:
   A. сопротивление
   Б. интенсивность
   B. амплитуда
   Г частота
   Д. период
10. Какой параметр из следующих не может быть определен из имеющихся остальных:
    A. частота
    Б. период
    B. амплитуда
    Г. длина волны
    Д. скорость распространения
11. Ультразвук отражается от границы сред, имеющих различия в:
    A. плотности
    Б. акустическом сопротивлении
    B. скорости распространения ультразвука
    Г. упругости
    Д. скорости распространения ультразвука и упругости
12. Для того, чтобы расчитать расстояние до отражателя, нужно знать:
    A. затухание, скорость, плотность
    Б. затухание, сопротивление
    B. затухание, поглощение
    Г. время возвращения сигнала, скорость
    Д. плотность, скорость
13. Ультразвук может быть сфокусирован:
    A. искривленным элементом
    Б. искривленным отражателем
    B. линзой
    Г. фазированной антенной
    Д. всем вышеперечисленным
14. Осевая разрешающая способность определяется:
    A. фокусировкой
    Б. расстоянием до объекта
    B. типом датчика
    Д. средой
15. Поперечная разрешающая способность определяется:
    A. фокусировкой
    Б. расстоянием до объекта
    B. типом датчика
    Г. числом колебаний в импульсе
    Д средой

Глава из I тома руководства по ультразвуковой диагностике,

написанного сотрудниками кафедры ультра­звуковой диагностики

Российской медицинской академии после­дипломного образования

RESEARCH COMMUNICATION ULTRASONIC VELOCITY WITH THE MECHANICAL PROPERTIES OF CAST STEEL

Alexandr Pavlov

candidate of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Department of Physics and the East Kazakhstan state university of technology it. S. Amanzholov, Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Alexandr Pavlov

master of Science, Head of Laboratory of technical diagnostics and control “Vostokmashzavod” JSC,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Almira Zhylkashynova

candidate of Physical and Mathematical Sciences , Head of the Laboratory of energy saving and alternative energy a national scientific laboratory for communities EKSU S. Amanzholov,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Zarina Satbaeva

master of Science, Researcher of the East Kazakhstan State University, S. Amanzholov,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

АННОТАЦИЯ

Настоящая научная работа посвящена исследованию связи скорости ультразвука с пластическими характеристиками и ударной вязкостью литой стали 20ГЛ, в структурно-неоднородном состоянии.

Одной из важнейших задач в физике твердого тела является поиск новых методов контроля и закономерностей в модели поведения физических характеристик металлов при внешнем энергетическом воздействии на них.

По результатам эксперимента выявлена математическая зависимость, позволяющая определить значение ударной вязкости по скорости ультразвука в металле и модулю упругости.

ABSTRACT

This scientific work is devoted to the study of communication ultrasound velocity with plastic properties and toughness cast steel 20GL in structurally inhomogeneous state.

One of the major problems in solid state physics is the search for new control methods and patterns in the behavior patterns of the physical characteristics of metals in the external radiation on them.

According to the results of the experiment revealed mathematical relationship, which allows to determine the toughness of the value of the speed of ultrasound in the metal and elastic modulus.

Ключевые слова: ударная вязкость, скорость ультразвука, модуль упругости, сталь 20ГЛ, неразрушающий контроль.

Keywords: toughness, speed of ultrasound, the modulus of elasticity, 20GL steel, non-destructive testing.

Введение.

Непрерывно возрастающий уровень требований к качеству деталей предполагает развитие новых, более точных методов неразрушающего контроля механических свойств сталей. Ударная вязкость при пониженной температуре, является определяющим параметром при оценке качества деталей эксплуатируемых при экстремальных температурных условиях и знакопеременных нагрузок.

Внутренние напряжения металла оказывают решающее влияние на механические свойства деталей, в частности на ударную вязкость, твёрдость, предел прочности и текучести. Зная комплекс физико-механических свойств, и внутренние напряжения, можно судить о поведении детали в конкретных условиях. При измерении ударной вязкости разрушающим способом можно лишь приближенно охарактеризовать склонность всего изделия к хрупкому разрушению, так как испытанию подвергается образец, вырезанный из конкретной части детали или треф пробы, которая в свою очередь не имеет отношения к самой детали. Неразрушающие испытания дают возможность провести измерения скорости ультразвуковой волны и тем самым значения ударной вязкости почти в любом месте изделия, что очень важно, например, для таких деталей как рама боковая и балка надрессорная.

Методы неразрушающего контроля ударной вязкости и упругости в настоящее время рассмотрены для конструкционных сталей перлитного класса в виде кованых заготовок и проката , для малоуглеродистых и низколегированных сталей после прокатки и термической обработки . В работе было проведено изучение корреляционных зависимостей между скоростью ультразвука, твердостью и ударной вязкостью в горячекатаной листовой стали 09Г2С. В отличие от вышеприведенных проката и кованых заготовок, неоднородность структуры литого металла снижает точность ультразвукового контроля указанных характеристик. Данная тематика частично рассмотрена в работе , где предлагается акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля внутренних дефектов литых деталей подвижного состава.

Методика проведения анализа.

Скорость распространения продольной ультразвуковой волны, генерируемой преобразователем с частотой 4 MHz, определяли на приборе УЗТ А 1209, используя режим калибровки на заданную толщину металла. Для чего, были изготовлены образцы с концентратором KCU и KCV, согласно ГОСТ 9454 с разных плавок стали марки 20ГЛ, в количестве 20 шт., затем, на образце замеряли скорость распространения продольной и поперечной ультразвуковой волны при комнатной и пониженной температуре. Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре IMPACTP-300 с автоматической системой управления.

Статические испытания на растяжение цилиндрических образцов диаметром 10 мм проводили при комнатной температуре на машине одноосного статического нагружения “WAW-600C” с записью диаграмм растяжения в соответствии с ГОСТ 1497 , с измерением физического предела текучести, временного сопротивления, относительного равномерного удлинения и сужения.

Результаты исследований и их обсуждение.

Согласно проведенным исследованиям ударная вязкость KCU связана с работой упругопластической деформации до появления трещины и с работой расширения трещины на все сечение образца. Ударная вязкость KCV, примерно равна второй работе. Таким образом, формула для ударной вязкости:

где: , и – константы, определяемые из опыта. В предлагается похожая формула связи К CU и V :

Здесь – скорость поперечной волны.

Формулу (1) можно обосновать термодинамически. Первый закон термодинамики гласит, что изменение энергии системы равно работе внешних сил и полученному количеству теплоты:

Испытание на ударную вязкость осуществляется ударом. Следовательно, процесс разрушения образца можно считать адиабатическим. Тогда и . Энергия отличается от не только температурой, но и другим расположением точек равновесия атомов, и энергией остаточной деформации:

, (4)

где: и - средние значения остаточных напряжений и деформаций, а и – константы. Тогда, заменяя через (, где - модуль упругости), получаем:

где: и – постоянные, определяемые из опыта. Модуль упругости связан со скоростью звука известным соотношением:

где: – плотность стали.

Формула (5) получается и из диаграммы растяжения образца (рис. 1).

Рисунок 1. Типичная диаграмма растяжения стали 20ГЛ. Указаны координаты эллиптической функции отклика

Линейный участок диаграммы описывает упругую деформацию, которая растет согласно закону Гука . Деформация будет оставаться упругой до предела текучести . Следовательно, работа внешней силы на этом участке будет:

Участок АВ описывает упруго-пластическую деформацию. Как показано в этот участок диаграммы можно моделировать эллипсом с полуосями и .

Работа внешней силы на этом участке будет определяться площадью прямоугольника со сторонами – , и 0,25 площади эллипса (0,25):

Нисходящий участок диаграммы ВС, описывающий разрушение образца, тоже моделируется эллипсом с полуосями: и . Значит, работа внешних сил на этом участке будет:

Согласно определению ударной вязкости она равна отношению работы деформирования и разрушения к площади сечения образца. Полная работа деформирования равна

где: – объем тела. В нашем случае , где – длина образца, S – площадь поперечного сечения. Следовательно:

.

Сложив (7), (8) и (9) получим полную работу внешних сил:

Поскольку диаграммы получались при растяжении образца, а разрушение образца при определении ударной вязкости происходит при деформации изгибом, то в предыдущей формуле необходимо поставить коэффициент пропорциональности, т. е.

Используя (7), (8) и (9), для получаем:

Используя опытные данные для соответствующих значений и , приходим к следующей формуле, связывающей ударную вязкость и скорость звука

(11)

Здесь – предел текучести. Как показано в , этот предел можно определить серийным дефектоскопом.

В качестве доказательства работоспособности данной формулы было проанализировано около 50 образцов с разных плавок, методом сравнения показаний маятникового копра и значений, полученных расчетом по формуле (11). Установлено, что при значении ударной вязкости определенной на маятниковом копре в пределах 14–24 Дж/см 2 , погрешность измерения составляет около 15 %, что конечно недопустимо. Однако в пределах от 24 до 50 Дж/см 2 , выведенная формула достаточно точно отражает реальное значение ударной вязкости с погрешностью порядка 3 %.

Например: образец плавки № 311 имеет значение , , подстановка этих чисел в формулу (11) дает Дж/см 2 , значение определенное по маятниковому копру – 43,0 Дж/см 2 . Образец плавки № 238 , , , значение по маятниковому копру – 37,2 Дж/см 2 .

Так как при получении формулы (11) использовалась полная работа деформации и разрушения, следовательно, данную формулу можно использовать как для измерения KCV так и для KCU, с учетом изменения коэффициентов.

Выводы:

1. Полученная формула (11), в сочетании с указанной методикой замера скорости продольной ультразвуковой волны вполне могут быть использованы при оценке ударной вязкости стали 20ГЛ, в интервале значений от 24 до 50 Дж/см 2 .

2. Достаточно простая реализация данного метода, дает возможности разработки малогабаритной аппаратуры с последующим созданием методики контроля ударной вязкости по частотным и временным характеристикам, при пониженных температурах. Данный метод позволит избежать трудности с изготовлением образцов с V-образным надрезом, контролем геометрических размеров и тем самым повысить точность измерения значения ударной вязкости. Также положительными факторами будет экономия металла, трудовых и временных ресурсов для изготовления образцов.

Список литературы:

1. Бобров А.Л. Повышение достоверности неразрушающего контроля литых деталей подвижного состава: Дисс. канд. техн. наук: 05.02.11 / СГУПС. – Новосибирск, 2000. – 142 с.

2. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.

3. ГОСТ 1497-87 Металлы. Методы испытаний на растяжение.

4. Зуев Л.Б., Полетика И.М., Ткаченко В.В., Громов В.Е. Ультразвуковой контроль механических свойств стали в структурно-неоднородном состоянии. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Вестник ТГУ, т. 5, вып. 2–3, Томск, 2000 г.

5. Куликова О.А. Разработка методики ультразвукового контроля ударной вязкости горячекатаной листовой стали: Дис. Канд. тех. наук: 05.16.01/ТГПУ. – Томск, 2000. – 109 с.

6. Павлов А.М., Павлов А.В. Особенности упругопластической деформации стали 20ГЛ. // Локомотивы. ХХI век: материалы III Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения д.т.н., профессора В.В. Стрекопытова, Санкт-Петербург, 17–19 ноября 2015 – С. 100–105.

7. Сухарев Е.М. Исследование связи скорости ультразвука с ударной вязкостью и разработка методики контроля качества конструкционных сталей: дисс. канд. техн. наук: 05.02.11 / НГТУ. – Новосибирск, 2000. – 132 с.

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

, (3)

Для поперечных волн она определяется по формуле

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , понимая под этим удельную мощность излучателя , т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил	1180	2670	-	3,15
Воздух	0,1	330	-	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	-	1,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально .

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле

, (6)

Коэффициент затухания от времени определяется

, (7)

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике .

, (9)

• где A 1 – амплитуда первого сигнала,
• A 2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

, (13)

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z 1 >Z 2 , то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ .

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука - отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука - расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

• где D - поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r - расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая мощность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия , представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, - с активным воздействием на вещество и - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Измерение скорости распространения ультразвука и ультразвуковая аппаратура

Скорость распространения ультразвука в бетоне колеблется от 2800 до 4800 м/с в зависимости от его структуры и прочности (табл. 2.2.2).

Таблица 2.2.2

Материал	ρ, г/смЗ	v п p , м/с
Сталь	7.8
Дуралюминий	2.7
Медь	8.9
Оргстекло	1.18
Стекло	3.2
Воздух	1.29x10 -3
Вода	1.00
Масло трансф.	0.895
Парафин	0.9
Резина	0.9
Гранит	2.7
Мрамор	2.6
Бетон (более 30 суток)	2.3-2.45	2800-4800
Кирпич:
силикатный	1.6-2.5	1480-3000
глиняный	1.2-2.4	1320-2800
Раствор:
цементный	1.8-2.2	1930-3000
известковый	1.5-2.1	1870-2300

Измерение такой скорости на относительно малых участках (в среднем 0.1-1 м) является сравнительно сложной технической задачей, которая может быть решена только при высоком уровне развития радиоэлектроники. Из всех существующих методов измерения скорости распространения ультразвука, с точки зрения возможности их применения для испытания строительных материалов, можно выделить следующие:

Метод акустического интерферометра;

Резонансный метод;

Метод бегущей волны;

Импульсный метод.

Для измерения скорости ультразвука в бетоне наибольшее распространение получил импульсный метод. Он основан на многократной посылке в бетон коротких ультразвуковых импульсов с частотой следования 30-60 Гц и измерении времени распространения этих импульсов на определенном расстоянии, называемой базой прозвучивания, т.е.

Следовательно, чтобы определить скорость ультразвука необходимо измерить расстояние, пройденное импульсом (база прозвучивания), и время, за которое ультразвук распространяется от места излучения до приема. Базу прозвучивания можно измерить любым прибором с точностью до 0.1мм. Время распространения ультразвука в большинстве современных приборов измеряется путем заполнения высокочастотными (до 10 МГц) счетными импульсами электронных ворот, начало которых соответствует моменту излучения импульса, а конец - моменту прихода его в приемник. Упрощенная функциональная схема такого прибора приведена на рис. 2.2.49.

Схема работает следующим образом. Задающий генератор 1 вырабатывает электрические импульсы с частотой от 30 до 50 Гц в зависимости от конструкции прибора и запускает высоковольтный генератор 2, который вырабатывает короткие электрические импульсы с амплитудой 100 В. Эти импульсы поступают в излучатель, в котором, используя пьезоэффект, преобразуются в пачку (от 5 до 15 шт.) механических колебаний с частотой 60-100 кГц и вводятся через акустическую смазку в контролируемое изделие. В это же время открываются электронные ворота, которые заполняются счетными импульсами, и срабатывает блок развертки, начинается движение электронного луча по экрану электронно­лучевой трубки (ЭЛТ).

Рис. 2.2.49. Упрощенная функциональная схема ультразвукового прибора:

1 - задающий генератор; 2 - генератор высоковольтных электрических импульсов; 3 - излучатель ультразвуковых импульсов; 4 - контролируемое изделие; 5 - приемник; 6 - усилитель; 7 - генератор формирования ворот; 8 - генератор счетных импульсов; 9 - блок развертки; 10 - индикатор; 11 - процессор; 12 - блок ввода коффициентов; 13 - цифровой индикатор значений t,V,R

Головная волна пачки ультразвуковых механических колебаний, пройдя через контролируемое изделие длиной L, при этом затратив время t, попадает в приемник 5, в котором преобразуется в пачку электрических импульсов.

Пришедшая пачка импульсов усиливается в усилителе 6 и попадает в блок вертикальной развертки для визуального контроля на экране ЭЛТ, а первым импульсом этой пачки закрываются ворота, прекратив доступ счетных импульсов. Таким образом, электронные ворота были открыты для счетных импульсов с момента излучения ультразвуковых колебаний до момента прихода их в приемник, т.е. время t. Далее счетчик считает количество счетных импульсов, которые заполнили ворота, и результат выдается на индикатор 13.

В некоторых современных приборах, таких как «Пульсар-1.1», имеются процессор и блок ввода коэффициентов, с помощью которых решается аналитическое уравнение зависимости "скорость-прочность", а на табло цифровой индикации выдаются время t, скорость V и прочность бетона R.

Для измерения скорости распространения ультразвука в бетоне и других строительных материалах в 80-е годы серийно выпускались ультразвуковые приборы УКБ-1М, УК-10П, УК-10ПМ, УК-10ПМС, УК-12П, УФ-90ПЦ, Бетон-5, которые себя хорошо зарекомендовали.

На рис. 2.2.50 приведен общий вид прибора УК-10ПМС.

Рис. 2.2.50. Ультразвуковой прибор УК-10ПМС

Факторы, влияющие на скорость распространения ультразвука в бетоне

Все материалы в природе можно разделить на две большие группы», относительно однородные и с большой степенью неоднородности или гетерогенные. К относительно однородным можно отнести такие материалы, как стекло, дистиллированная вода и другие материалы с постоянной для нормальных условий плотностью и отсутствием воздушных включений. Для них скорость распространения ультразвука в нормальных условиях практически постоянна. В неоднородных материалах, к которым относится большая часть строительных материалов, в том числе и бетон, внутреннее строение, взаимодействие микрочастиц и крупных составляющих элементов непостоянно как по объему, так и по времени. В их структуру входят микро - и макропоры, трещины, которые могут быть сухими или наполнеными водой.

Непостоянным является и взаимное расположение крупных и мелких частиц. Все это приводит к тому, что плотность и скорость распространения в них ультразвука непостоянны и колеблются в больших пределах. В табл. 2.2.2 приведены значения плотности ρ и скорости распространения ультразвука V для некоторых материалов.

Далее рассмотрим, каким образом влияют изменения таких параметров бетона, как прочность, состав и вид крупного заполнителя, количество цемента, влажность, температура и наличие арматуры на скорость распространения ультразвука в бетоне. Эти знания необходимы для объективной оценки возможности контроля прочности бетона ультразвуковым методом, а также для исключения ряда погрешностей при контроле, связанных с изменением указанных факторов

Влияние прочности бетона

Экспериментальные исследования показывают, что с повышением прочности бетона скорость ультразвука увеличивается.

Это объясняется тем, что значение скорости, так же как и значение прочности, зависит от условия внутриструктурных связей.

Как видно из графика (рис. 2.2.51), зависимость "скорость-прочность" для бетонов различного состава непостоянная, из чего следует, что на данную зависимость, кроме прочности, влияют и другие факторы.

Рис. 2.2.51. Зависимость между скоростью ультразвука V и прочностью R c для бетонов различных составов

К сожалению, некоторые факторы влияют на скорость ультразвука в большей степени, чем прочность, что является одним из серьезных недостатков ультразвукового метода.

Если принять бетон постоянного состава, а прочность изменять путем принятия различного В/Ц, то влияние других факторов окажется постоянным, и скорость ультразвука будет изменяется только от прочности бетона. В данном случае зависимость "скорость-прочность" станет более определенной (рис. 2.2.52).

Рис. 2.2.52. Зависимость "скорость-прочность" для постоянного состава бетона, полученная на заводе ЖБИ №1 г.Самары

Влияние вида и марки цемента

Сравнивая результаты испытаний бетонов на обыкновенном портландцементе и на других цементах, можно сделать вывод, что минералогический состав мало влияет на зависимость "скорость-прочность". Основное влияние оказывает содержание трехкальциевого силиката и тонкость помола цемента. Более важным фактором, влияющим на зависимость "скорость-прочность", является расход цемента на 1 м 3 бетона, т.е. его дозировка. С увеличением количества цемента в бетоне скорость ультразвука возрастает медленнее, чем механическая прочность бетона.

Это объясняется тем, что ультразвук при прохождении через бетон распространяется как по крупному заполнителю, так и по растворной части, соединяющей гранулы заполнителя, и его скорость в большей степени зависит от скорости распространения в крупном заполнителе. Однако прочность бетона в основном зависит от прочности растворной составляющей. Влияние количества цемента на прочность бетона и скорость ультразвука приведено на рис. 2.2.53.

Рис. 2.2.53. Влияние дозировки цемента на зависимость

"скорость-прочность"

1- 400 кг/м 3 ; 2 - 350 кг/м 3 ; 3 - 300 кг/м 3 ; 4 - 250 кг/м 3 ; 5 - 200 кг/м 3

Влияние водоцементного отношения

С уменьшением В/Ц увеличиваются плотность и прочность бетона соответственно повышается скорость ультразвука. При увеличении В/Ц наблюдается обратная зависимость. Следовательно, изменение В/Ц не вносит существенных отклонений в установленную зависимость "скорость-прочность. Поэтому при построении градуировочных графиков для изменения прочности бетона рекомендуется применять различное В/Ц.

Влияние вида и количества крупного заполнителя

Вид и количество крупного заполнителя оказывают существенное влияние на изменение зависимости "скорость-прочность". Скорость ультразвука в заполнителе, особенно в таких как кварц, базальт, твердый известняк, гранит, значительно больше скорости распространения его в бетоне.

Вид и количество крупного заполнителя влияют и на прочность бетона. Обычно принято считать, что чем прочнее заполнитель, тем выше прочность бетона. Но иногда приходится сталкиваться с таким явлением, когда применение менее прочного щебня, но с шероховатой поверхностью позволяет получить бетон с более высоким значением Re, чем при использовании прочного гравия, но с гладкой поверхностью

При незначительном изменении расхода щебня прочность бетона изменяется незначительно. Вместе с тем такое изменение количества крупного заполнителя оказывает большое влияние на скорость ультразвука.

По мере насыщения бетона щебнем значение скорости ультразвука увеличивается. Вид и количество крупного заполнителя влияют на связь "скорость - прочность" больше, чем остальные факторы (рис. 2.2.54 – 2.2.56)

Рис. 2.2.54. Влияние наличия крупного заполнителя на зависимость "скорость-прочность":

1 - цементный камень; 2 - бетон с заполнителем крупностью до 30 мм

Рис. 2.2.55. Зависимость "скорость-прочность" для бетонов с различной крупностью заполнителей: 1-1 мм; 2-3 мм; 3-7 мм; 4-30 мм

Рис. 2.2.56. Зависимость "скорость- прочность" для бетонов с заполнителем из:

1-песчаника; 2-известняка; 3-гранита; 4-базальта

Из графиков видно, что увеличение количества щебня на единицу объема бетона или повышение скорости ультразвука в нем приводит к увеличению скорости ультразвука в бетоне более интенсивно, чем прочность.

Влияние влажности и температуры

Влажность бетона неоднозначно влияет на его прочность и скорость ультразвука. С повышением влажности бетона, предел прочности при сжатии уменьшается за счет изменения межкристаллических связей, но скорость ультразвука возрастает, поскольку воздушные поры и микротрещины заполняются водой, а скорость в воде больше, чем в воздухе.

Температура бетона в диапазоне 5-40° С практически не влияет на прочность и скорость, но повышение температуры затвердевшего бетона за пределы указанного диапазона приводит к уменьшению его прочности и скорости вследствие увеличения внутренних микротрещин.

При отрицательной температуре скорость ультразвука повышается за счет превращения несвязанной воды в лед. Поэтому определять прочность бетона ультразвуковым методом при отрицательной температуре не рекомендуется.

Распространение ультразвука в бетоне

Бетон по своей структуре является гетерогенным материалом, в состав которого входят растворная часть и крупный заполнитель. Растворная часть, в свою очередь, представляет собой затвердевший цементный камень с включением частиц кварцевого песка.

В зависимости от назначения бетона и его прочностных характеристик соотношение между цементом, песком, щебнем и водой бывает различным. Кроме обеспечения прочности, состав бетона зависит от технологии изготовления железобетонных изделий. Например, при кассетной технологии производства необходима большая пластичность бетонной смеси, что достигается повышенным расходом цемента и воды. В этом случае увеличивается растворная часть бетона.

В случае стендовой технологии, особенно при немедленной распалубке, используются жесткие смеси с пониженным расходом цемента.

Относительный объем крупного заполнителя в этом случае увеличивается. Следовательно, при одних и тех же прочностных характеристиках бетона его состав может изменяться в больших пределах. На структурообразование бетона влияет технология изготовления изделий: качество перемешивания бетонной смеси, ее транспортировка, уплотнение, термовлажностная обработка во время твердения. Из этого следует, что на свойство затвердевшего бетона оказывает влияние большое количество факторов, причем влияние неоднозначное и носит случайный характер. Этим объясняется высокая степень неоднородности бетона как по составу, так и по его свойствам. Неоднородность и различные свойства бетона отражаются и на его акустических характеристиках.

В настоящее время, несмотря на многочисленные попытки, еще не разработана единая схема и теория распространения ультразвука через бетон, что объясняется) в первую очередь, наличием указанных выше многочисленных факторов, которые по-разному влияют на прочностные и акустические свойства бетона. Такое положение усугубляется и тем, что еще не разработана общая теория распространения ультразвуковых колебаний через материал с высокой степенью неоднородности. Только поэтому скорость ультразвука в бетоне определяется как для однородного материала по формуле

где L - путь, пройденный ультразвуком, м (база);

t - время, затраченное на прохождение данного пути, мкс.

Рассмотрим более подробно схему распространения импульсного ультразвука через бетон как через неоднородный материал. Но вначале ограничим область, в которой будут справедливы наши рассуждения, тем, что рассмотрим наиболее распространенный на заводах ЖБИ и стройках состав бетонной смеси, состоящей из цемента, речного песка, крупного заполнителя и воды. При этом будем считать, что прочность крупного заполнителя выше, чем прочность бетона. Это справедливо при использовании в качестве крупного заполнителя известняка, мрамора, гранита, доломита и других пород с прочностью порядка 40 МПа. Условно примем, что затвердевший бетон состоит из двух компонентов: относительно однородной растворной части с плотностью ρ и скоростью V и крупного заполнителя с ρ и V .

С учетом отмеченных допущений и ограничений затвердевший бетон можно рассматривать как твердую среду с акустическим импедансом:

Рассмотрим схему распространения головной ультразвуковой волны от излучателя 1 к приемнику 2 через затвердевший бетон толщиной L (рис. 2.2.57).

Рис. 2.2.57. Схема распространения головной ультразвуковой волны

в бетоне:

1 - излучатель; 2 - приемник; 3 - контактный слой; 4 - распространение волны в гранулах; 5 - распространение волны в растворной части

Головная ультразвуковая волна от излучателя 1 в первую очередь попадает в контактный слой 3, расположенный между излучающей поверхностью и бетоном. Для прохождения через контактный слой ультразвуковой волны он должен быть заполнен проводящей жидкостью или смазкой, в качестве которой чаще всего используется технический вазелин. Пройдя через контактный слой (за время t 0), ультразвуковая волна частично отражается в обратном направлении, а остальная часть войдет в бетон. Чем тоньше контактный слой по сравнению с длиной волны, тем меньшая часть волны отразится.

Войдя в толщу бетона, головная волна начнет распространяться в растворной части бетона на площади, соответствующей диаметру излучателя. Пройдя определенное расстояние Δl 1 , через время Δt 1 головная волна на определенной площади встретит одну или несколько гранул крупного заполнителя, частично от них отразится, а большая часть войдет в гранулы и начнет в них распространяться. Между гранулами волна будет продолжать распространяться по растворной части.

Учитывая принятое условие, что скорость ультразвука в материале крупного заполнителя больше, чем в растворной части, расстояние d, равное усредненному значению диаметра щебня, первой пройдет волна, которая распространялась через гранулы со скоростью V 2 , а волна, прошедшая через растворную часть, будет запаздывать.

Пройдя через первые гранулы крупного заполнителя, волна подойдет к границе раздела с растворной частью, частично отразится, а частично войдет в нее. При этом гранулы, через которые прошла головная волна, в дальнейшем можно рассматривать как элементарные сферические источники излучения ультразвуковой волны в растворную часть бетона, к которой можно применить принцип Гюйгенса.

Пройдя по раствору минимальное расстояние между соседними гранулами, головная волна войдет в них и начнет по ним распространяться, превращая их в очередные элементарные источники. Таким образом, через время t, пройдя всю толщу бетона L и второй контактный слой 3, головная волна попадет в приемник 2, где преобразуется в электрический сигнал.

Из рассмотренной схемы следует, что головная волна от излучателя 1 к приемнику 2 распространяется по пути, проходящему через гранулы крупного заполнителя и растворную часть, соединяющую эти гранулы, причем этот путь определяется из условия минимума затраченного времени t.

Отсюда время t равно

где - время, затраченное на прохождение растворной части, соединяющей гранулы;

- время, затраченное на прохождение через гранулы. Пройденный ультразвуком путь L равен

где: - общий путь, пройденный головной волной через растворную часть;

Общий путь, пройденный головной волной через гранулы.

Полное расстояние L, которое пройдет головная волна, может быть больше геометрического расстояния между излучателем и приемником, поскольку волна распространяется по пути максимальной скорости, а не по минимальному геометрическому расстоянию.

Время, затраченное ультразвуком на прохождение через контактные слои, необходимо вычитать из общего измеренного времени.

Волны, которые следуют за головной, также распространяются по пути максимальной скорости, но при своем движении будут встречать отраженные волны от границ раздела гранул крупного заполнителя и растворной части. Если диаметр гранул окажется равным длине волны или ее половине, то может возникнуть внутри гранулы акустический резонанс. Эффект интерференции и резонанса можно наблюдать при спектральном анализе пачки ультразвуковых волн, прошедших через бетон с различной крупностью заполнителя.

Рассмотренная выше схема распространения головной волны импульсного ультразвука справедлива только для бетонов с указанными в начале раздела свойствами, т.е. механическая прочность и скорость распространения ультразвука в материале, из которого получены гранулы крупного заполнителя, превышают прочность и скорость в растворной части бетона. Такими свойствами обладает большинство бетонов, применяемых на заводах ЖБИ и строительных площадках, в которых используется щебень из известняка, мрамора, гранита. Для керамзитобетона, пенобетона, бетона с туфовым заполнителем схема распространения ультразвука может быть другой.

Справедливость рассмотренной схемы подтверждается экспериментами. Так, из рис. 2.2.54 видно, что при добавлении к цементной части определенного количества щебня скорость ультразвука повышается при незначительном увеличении (а иногда и уменьшении) прочности бетона.

На рис. 2.2.56 заметно, что с повышением скорости ультразвука в материале крупного заполнителя скорость его в бетоне возраcтает.

Увеличение скорости в бетоне с более крупным заполнителем (рис. 2.2.55) также объясняется данной схемой, поскольку с увеличением диаметра удлиняется путь прохождения ультразвука через материал заполнителя.

Предложенная схема распространения ультразвука позволит объективно оценить возможности ультразвукового метода при дефектоскопии и контроле прочности бетона.

Открытое акционерное общество
Научно-исследовательский и конструкторский институт
химического машиностроения
ОАО «НИИХИММАШ»

СТО 00220256-014-2008

ИНСТРУКЦИЯ ПО УЛЬТРАЗВУКОВОМУ КОНТРОЛЮ СТЫКОВЫХ, УГЛОВЫХ
И ТАВРОВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ИЗ
СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО И АУСТЕНИТНО-ФЕРРИТНОГО КЛАССОВ С
ТОЛЩИНОЙ СТЕНКИ от 4 до 30 мм

ОАО «НИИХИММАШ»
Начальник отдела № 23, руководитель работы, к.т.н.		В.А. Бобров
Начальник сектора КД		Л.В. Орлова
Инженер-технолог 1 кат.		В.Д. Мищук
		В.В. Волокитин
Начальник отдела стандартизации и метрологии		А.В. Смирнов

ОАО «НИИХИММАШ»
2008

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. Разработан Открытым Акционерным Обществом «Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения», г. Москва

2. Взамен РД 26-01-128-2000

ОДОБРЕНО РОСТЕХНАДЗОРОМ

Письмо № 08-15/2296 от 17.06.09 г.

* Допускается контроль сварных соединений не упомянутых выше сталей аустенитного и аустенитно-ферритного классов, если они отвечают всем требованиям, изложенным в тексте настоящего СТО.

Доступными для контроля считаются сварные соединения, имеющие околошовную зону, позволяющую перемещать преобразователь в пределах, обеспечивающих прозвучивание всего сечения шва центральным лучом.

Стандарт не распространяется на контроль швов сварных соединений тангенциальных патрубков с корпусом или днищем, угловых сварных швов с укрепляющим кольцом, сварных соединений с конструктивным (остающимся) непроваром между свариваемыми деталями, на контроль швов, выполненных сваркой с одной стороны без подкладных колец (планок).

2. Нормативные ссылки

В настоящем документе использованы нормативные ссылки на следующие стандарты, классификаторы, правила и руководящие документы:

	Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением
	Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных
	Система неразрушающего контроля. Аттестация персонала.
	Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия.
	Сварка в химическом машиностроении. Основные положения.
	Сосуды и аппараты стальные сварные высокого давления. Контроль неразрушающий при изготовлении и эксплуатации.
	Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.
	Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные.
	Сертификация теплостойкой толсто-тонколистовой Сr и Cr-Ni нержавеющей стали и полосовой стали для изготовления аппаратов высокого давления (ASTM США).
	Дефектоскопы ультразвуковые. Методы измерения основных параметров.
	Инструкция по визуальному и измерительному контролю.
	Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов.
	Швы стыковых, угловых и тавровых сварных соединений сосудов и аппаратов, работающих под давлением. Методика ультразвукового контроля.
	Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения.
	ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.
	ССБТ. Шум. Общие требования безопасности.
	Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) три эксплуатации электроустановок.
	Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.
	Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.
	Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные.
	Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Методы измерения основных параметров.

Примечание . При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие указанных ссылочных нормативных документов. Если ссылочный документ заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3. Основные положения

3.1. Стандарт устанавливает методику ручного ультразвукового контроля:

Стыковых сварных соединений в изделиях с толщиной стенки от 4 до 30 мм (плоских заготовок, кольцевых швов сосудов и аппаратов диаметром не менее 200 мм, продольных швов цилиндрических изделий диаметром не менее 400 мм, кольцевых швов труб, патрубков и других узлов, с наружным диаметром не менее 100 мм с двухсторонней сваркой или с односторонней сваркой с подкладным кольцом);*

Угловых и тавровых сварных соединений листовых цилиндрических конструкций, эллиптических, шаровых и других видов днищ, в зависимости от типа шва с толщиной стенки свариваемых элементов (деталей) от 4 до 30 мм с наружным диаметром корпуса (днища) не менее 400 мм и внутренним диаметром привариваемых люков, штуцеров, лазов и т.п. не менее 100 мм при отношении диаметра патрубка к диаметру корпуса не более 0,6.

* Данный СТО не распространяется на контроль трубопроводов (например, технологических и др.).

3.2. Объем контроля швов определяется в соответствии с требованиями ПБ 03-576-03 , ПБ 03-584-03 , ГОСТ Р 52630-2006 , а также технических условий и другой технической документации, утвержденной в установленном порядке.

3.3. Ультразвуковой контроль обеспечивает выявление в сварных швах трещин, непроваров, пор, неметаллических включений и других без расшифровки характера дефектов, с указанием их количества, координат расположения, условной протяженности (в ряде случаев высоты).

3.4. Ультразвуковой контроль проводится при температуре окружающего воздуха от +5 до +40 °С. Температура шва и околошовной зоны при контроле должна быть в пределах от +5 до +50 °С.

3.5. Контроль следует проводить после полной термической обработки сварных швов, если она предусмотрена технологией и при положительных результатах визуально-измерительного контроля.

3.6. Участки швов, для которых расшифровка результатов ультразвукового контроля и оценка качества затруднительны, дополнительно проверяют просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами. При несовпадении результатов контроля в качестве арбитражного метода рекомендуется послойное вскрытие шва с последующим контролем цветным методом, а также визуальный и измерительный контроль.

3.7. Перечень недопустимых дефектов, объемы и методы контроля для разных групп сосудов представлены в Приложении (справочное). Содержание ферритной фазы и другая информация, необходимая дефектоскописту для принятия оперативного решения, представлена в приложениях , и .

3.8. Данный СТО может быть использован как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации сосудов и аппаратов.

4. Организация ультразвукового контроля

4.1.Ультразвуковой контроль (УЗК) осуществляется работниками отдела (лаборатории, группы) неразрушающего контроля, действующей на основании Положения о подразделении неразрушающего контроля. Отдел (лаборатория) должен быть аттестован в установленном порядке.

4.2. К проведению ультразвукового контроля допускаются лица, прошедшие специальную теоретическую и практическую подготовку в соответствии с ПБ 03-440-02 , имеющие квалификационные удостоверения на право проведения контроля и выдачу заключения о качестве сварных швов по результатам УЗК.

Кроме того, дополнительно дефектоскопист должен быть аттестован на право проведения ультразвукового контроля аппаратуры из стали аустенитного и аустенитно-ферритного класса в соответствии с настоящей инструкцией в НОАП «НИИХИММАШ» или других аттестационных центрах, имеющих право на проведение указанных работ. При перерыве в работе более одного года дефектоскописты лишаются права ведения контроля до повторной аттестации.

4.3. Ультразвуковой контроль должен проводиться двумя дефектоскопистами, один должен иметь квалификацию по УЗК не ниже II уровня.

4.4. Работа каждого дефектоскописта проверяется путем повторного выборочного ультразвукового контроля не менее 5 % общей протяженности швов, проверенных им за смену. Работу дефектоскописта контролирует инженер лаборатории (отдела) неразрушающих методов контроля, имеющий II уровень квалификации. При обнаружении пропущенных дефектов сварные швы повторно контролируются полностью.

4.5. Ультразвуковой контроль проводится в цехе на специально отведенном участке или участке расположения контролируемых изделий при невозможности их транспортировки.

4.6. Участок, на котором проводится ультразвуковой контроль, должен быть удален от сварочных постов, защищен от лучистой энергии и расположен так, чтобы исключалась возможность попадания на контролируемую поверхность грязи, масел и пр.

На участке ультразвукового контроля должны быть:

Ультразвуковые дефектоскопы с комплектом преобразователей;

Подводка сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 24, 36, и 220 В, кабель сетевого питания, заземляющая шина;

При колебании напряжения в сети более ±10 % на участке необходимо иметь стабилизатор напряжения;

Специальные стандартные по ГОСТ 14782 и стандартные образцы предприятия для проверки и настройки дефектоскопов с преобразователями;

Набор слесарного и измерительного инструмента;

Контактная жидкость и обтирочный материал;

Подставка для дефектоскопа;

Мостки и лестницы для дефектоскопистов;

Стеллажи и шкафы для хранения дефектоскопов с комплектом преобразователей, образцов и материалов.

4.8. Для дефектоскопа с блоком памяти и автономным питанием (например, УИУ «Сканер») требования пункта могут быть ограничены.

4.9. При контроле должны использоваться ультразвуковые импульсные дефектоскопы типа УИУ «Сканер», УД2-12 или другие отечественного и зарубежного производства, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 14782 и настоящего стандарта.

4.10. Дефектоскопы должны быть укомплектованы типовыми стандартными наклонными преобразователями с углами ввода 70° и 65° по углеродистой стали см. таб. и , а также прямыми и прямыми раздельно-совмещенными (PC) преобразователями.

4.11. В комплект аппаратуры для измерения и проверки основных параметров дефектоскопов (совместно с преобразователем) и контроля должны входить комплект стандартных образцов СО-1, СО-2А и СО-3А в соответствии с требованиями ГОСТ 14782 , стандартные образцы предприятия (СОП) с искусственными отражателями: сегментными (рис. ) или угловыми (рис. ) для настройки предельной чувствительности и зоны контроля, например комплект образцов КСО, разработанных НИИхиммашем (рис. ), а также вспомогательные приспособления и устройства для соблюдения основных параметров и снижения трудоемкости ультразвукового контроля.

СОП должны изготавливаться из той же марки стали, что и контролируемое изделие, а сварной шов образца необходимо выполнить по технологии сварки конкретного изделия с минимально допустимым содержанием ферритной фазы (автоматическая, ручная и т.п.), а искусственный отражатель выполняется на сварном шве по центральной оси сварного шва со снятым усилением.*

Рисунок 1. Стандартный образец предприятия с сегментным отражателем для

Рисунок 2. Стандартный образец предприятия с угловым отражателем для
настройки чувствительности, координат и зоны контроля дефектоскопа

5. Подготовка к контролю

5.1. Первичный контроль, а также контроль после устранения дефектов осуществляется на основании заявки или другой документации, подписанной соответствующими работниками служб предприятия. В документе на проведение контроля указывается номер чертежа, материал и его толщина, клеймо сварщика. Кроме того в нем должны быть сделаны записи о соответствии выполнения контроля сварного шва требованиям ПБ 03-584-03 , ГОСТ Р 52630-2006 (а также положительных результатах визуально-измерительного контроля в соответствии с РД 03-606-03).*

* При отсутствии чертежа прикладывается эскиз сварного соединения с указанием размеров.

Подготовка к контролю состоит из следующих операций:

Визуально-измерительный контроль;

Выбор способа прозвучивания;

Подготовка поверхности изделия к прозвучиванию;

Определение величины относительного затухания ультразвуковых колебаний стыковых сварных соединений;

Определение содержания ферритной фазы;

Выбор параметров контроля.

Настройка дефектоскопа совместно с преобразователем.

5.2. Визуальный и измерительный контроль (ВИК) сварных соединений выполняется с целью выявления поверхностных дефектов. При проведении ВИК должно быть установлено соответствие состояния сварного шва и околошовной зоны требованиям настоящей инструкции, РД 03-606-03 , ГОСТ 5264-80 , ГОСТ 8713-79 или ГОСТ 14771-76 .

5.2.1. Визуальному и измерительному контролю подлежат все сварные соединения сосудов и их элементов в целях выявления в них следующих дефектов:

Трещин всех видов и направлений;

Свищей и пористости наружной поверхности;

Подрезов;

Наплывов, прожогов, незаплавленных кратеров;

Смещения и совместного увода кромок свариваемых элементов свыше норм, предусматриваемых Правилами ПБ 03-576-03 и ГОСТ Р 52630-2006 .

Несоответствие формы и размеров швов требованиям технической документации.

Более полный перечень недопустимых дефектов, а также нормы допустимых отдельных дефектов для различных толщин деталей представлены в Приложении (справочное).

5.2.2. Осмотр и измерения сварных соединений должны производиться с наружной и внутренней сторон по всей протяженности швов. В случае невозможности осмотра и измерения сварного соединения с двух сторон, его контроль должен производиться в порядке, предусмотренном автором проекта или программой работ, согласованной между заказчиком и исполнителем.

5.2.3. Сварной шов необходимо подразделить на участки и замаркировать так, чтобы однозначно устанавливать место дефекта по длине шва. Сварные швы с недопустимыми дефектами по результатам ВИК ультразвуковому контролю не допускаются. Особенности визуального и измерительного контроля при техническом диагностировании оборудования в процессе эксплуатации и подход к оценке норм браковки представлены в Приложении (специальное).

5.2.4. Визуальный и измерительный контроль качества готовых сварных соединений выполняется с целью подтверждения качества их соответствия нормативной документации. Обычно при проведении ВИК в закрытых помещениях или внутри сосуда применяется местное и общее освещение. Местное освещение контролируемой поверхности должно составлять не менее 500 люкс, общее - 10 % от местного. Важное значение для обнаружения дефекта, выходящего на поверхность, является контраст изображения дефекта К

где - яркость фона, окружающего дефект, кд/м 2 (кд-кандела-единица яркости в системе СИ); - яркость дефекта, кд/м 2 . Чем больше величина значения К , тем лучше выявляется дефект.

На основании изложенного подготовление к ВИК должно заключаться в следующем:

Для местного освещения следует использовать фонарь, обеспечивающий величину освещенности контролируемой поверхности листа не хуже 500 люкс;

Перед проведением визуального контроля освещенность следует измерять люксметром. Если контроль выполняется на специально оборудованном участке цеха, то измерение освещенности можно проводить периодически;

Для обнаружения и измерения величины раскрытия дефектов поверхности рекомендуется использовать лупы с измерительной шкалой и ее подсветкой. Увеличение должно быть 3-х и 5-ти кратным. Цена деления шкалы - не хуже 0,1 мм;

Подлежащая контролю наружная поверхность должна рассматриваться под углом более 30° к плоскости объекта контроля и с расстояния до 600 мм;

Для создания хорошего контраста изображения дефекта с фоном и уверенного обнаружения дефекта обязательными являются выполнения рекомендаций данного пункта инструкции;

В сомнительных случаях для обнаружения поверхностных дефектов визуальный контроль необходимо дополнить применением других методов контроля, например, цветного;

Результаты визуального контроля оформляются актом и при обнаружении недопустимых дефектов на дефектограмме (фотографии), которая должна прилагаться к упомянутому акту (или хранится в памяти других носителей информации);

Другие сведения, касающиеся оценки качества применяемого оборудования и оформления результатов ВИК приведены в справочном Приложении .

5.2.5. Оценку качества сварных соединений по результатам ВИК при изготовлении сосудов и аппаратов проводят в соответствии с ГОСТ Р 52630-2006 .

5.2.6. Оценку качества сварных соединений по результатам ВИК при проведении экспертизы промышленной безопасности или технической диагностики проводят в соответствии с рекомендациями, изложенными в приложении .

5.3. Выбор способа прозвучивания зависит от толщины металла, ширины валика усиления шва, характера и расположения возможных дефектов и доступа к сварному шву. Выбирают такой способ прозвучивания, который позволяет центральным лучом обеспечить контроль всего наплавленного металла (табл. , ). Контроль околошовной зоны основного металла в пределах перемещения преобразователя на отсутствие расслоений следует проводить, если он предусмотрен нормативно-технической документацией на контроль и если такой контроль до сварки не проводился.

5.4. Поверхность околошовной зоны на расстоянии "Д" в обе стороны от усиления шва должна быть очищена от брызг металла, отслаивающейся окалины, грязи и краски. Расстояние "Д" ориентировочно определяется по табл. , или по формуле:

Д = L + 20 мм,

где L - протяженность зоны перемещения преобразователя.

Максимальная протяженность зоны перемещения преобразователя при контроле продольных и кольцевых сварных соединений определяется по формуле:

Таблица 1

			Рабочая частота, МГц	Стрела преобразователя, мм			Зона зачистки, мм
	Углерод. сталь**	Нерж. сталь*							´ b , мм 2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
						0-80			1,5 ´ 2,7
						0-80			1,5 ´ 2,7
						0-80			2,0 ´ 3,0
						0-90			2,0 ´ 3,0
						0-90			2,0 ´ 3,5
						0-100			2,0 ´ 3,5
						0-100			2,0 ´ 4,5
						0-100			2,0 ´ 4,5
24-30						0-130			2,0 ´ 5,0

Примечание : * - Угол ввода преобразователя рассчитан, исходя из значения скорости ультразвуковых поперечных волн, равной 3100 м/с; 3100 м/с - средняя статистическая скорость поперечных ультразвуковых волн в сварном шве, выполненном по технологии сварки согласно ОСТ 26.260.3-2001 . Если сварное соединение выполнено по другой технологии, то в этом случае рекомендуется предварительно измерить скорость в сварном шве. Под средней статистической скоростью понимается усредненное значение скорости ультразвука в околошовной зоне и сварном шве, например, измеренной на СОПе без учета времени прохождения УЗК в преобразователе.

** - Углы соответствуют стандартным преобразователям.

*** - Способы прозвучивания других типов швов указаны в п. .

Таблица 2

	Угол ввода преобразователя, град		Рабочая частота, МГц	Стрела преобразователя, мм	Способ прозвучивания стыковых швов***	Зона перемещения преобразователя, мм	Зона зачистки, мм	Предельная чувствительность, мм 2
	Углерод. сталь**	Нерж. сталь*						Площадь сегментного отражателя, мм 2	Размеры углового отражателя h ´ b , мм 2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
					Однократно и двукратно отраженным лучом	0-80			1,5 ´ 2,0
						0-80			1,5 ´ 2,0
						0-80			1,8 ´ 2,0
					Прямым и однократно отраженным лучом	0-90			1,8 ´ 2,0
						0-90			1,8 ´ 3,0
						0-100			1,8 ´ 3,0
						0-100			2,0 ´ 3,5
						0-100			2,0 ´ 3,5
24-30						0-130			2,0 ´ 4,5

Примечание : * - Угол ввода преобразователя рассчитан, исходя из значения скорости ультразвуковых поперечных волн, равной 3180 м/с. 3180 м/с - средняя статистическая скорость поперечных ультразвуковых волн в сварном шве, выполненном по технологии сварки согласно ОСТ 26.260.3-2001 .

Если сварное соединение выполнено по другой технологии, то в этом случае рекомендуется предварительно измерить скорость в сварном шве.

** - Углы соответствуют стандартным преобразователям.

*** - Способ прозвучивания других типов швов указан в п. .

m - число отражений;

n - стрела преобразователя;

d - толщина контролируемого изделия;

a - угол ввода ультразвукового луча.

5.4.1. Допускается вести контроль по поверхности проката без механической обработки при условии удаления брызг металла с поверхности околошовной зоны.

Поверхность не должна иметь вмятин, неровностей, забоин и т.п. Для зачистки поверхности контроля рекомендуется применять металлические щетки, зубила и шлифмашинки с абразивными кругами.

При механической обработке сварного соединения шероховатость должна быть не более Rz 40 по ГОСТ 2789 . Для измерения шероховатости поверхности, например, методом сравнения, применяются специальные шаблоны шероховатости. Шов должен быть предъявлен оператору полностью подготовленным к контролю. Зачистка поверхности в обязанности оператора не входит. При контроле сварных швов без усиления зачищается как поверхность шва, так и околошовная зона. При отсутствии усиления сварного шва его границы выявляются путем химического травления.

5.4.2. Для достижения необходимого акустического контакта между поверхностью изделия и преобразователем зону контроля покрывают смазкой. В качестве смазки может быть использовано трансформаторное масло или глицерин. Для изделий, имеющих большую кривизну поверхности, рекомендуется более густая смазка, например, автолы различных марок. Рекомендуется контактная смазка на основе полиакриламида, а также на основе карбометилцеллюлозы, которые приведены в СТО 00220256-005-2005 .

5.5. Перед контролем в лаборатории необходимо изучить требования нормативно-технической документации на контроль оборудования, настоящей инструкции и настроить дефектоскоп.

5.5.1. При проверке преобразователей определению подлежат следующие параметры:

Точка выхода ультразвукового луча и стрела преобразователя (n);

Угол ввода ультразвукового луча в металл (a ).

5.5.2. Точка выхода ультразвукового луча и стрела преобразователя (n) определяются по стандартному образцу СО-3А. Точка выхода ультразвукового луча расположена против центра полуокружности образца при установке преобразователя в положение, при котором амплитуда эхо-сигнала от цилиндрической наружной поверхности максимальна. Положение точки выхода наносится на боковой поверхности преобразователя. После проверки на преобразователе должно быть нанесено новое найденное положение точки выхода луча. Положение метки, соответствующей точке выхода ультразвукового луча, не должно отличаться от действительного более, чем на ±1 мм. Стрела преобразователя (n) представляет собой расстояние от точки выхода акустической оси ультразвукового луча до передней грани преобразователя. Определение стрелы преобразователя производится 1 раз в смену.

5.5.3. Проверка угла ввода по стандартному образцу СО-2А должна производиться не реже 1 раза в смену, так как в связи с изнашиванием призмы преобразователя угол ввода луча в металл может изменяться.

5.5.4. При настройке дефектоскопа совместно с преобразователем необходимо:

Установить и подключить дефектоскоп с преобразователем и проверить их работоспособность;

Настроить глубиномерное устройство;

Установить зону контроля;

Установить чувствительность контроля;

Определить мертвую зону;

Проверить разрешающую способность.

Проверка работоспособности дефектоскопа и настройка параметров контроля производится согласно руководства по эксплуатации на дефектоскоп и в соответствии ГОСТ 14782 .

5.6. Ультразвуковой контроль сварных швов проводится по режимам, зависящим от особенностей структуры металла шва и околошовной зоны.

5.6.1. Структурное состояние металла стыкового шва и околошовной зоны оцениваются в дБ путем измерения величины относительного затухания ультразвуковых колебаний

,

где: А осн, А св - величины амплитуд сигналов при прохождении ультразвуковых колебаний в основном металле и металле шва.

5.6.2. Относительное затухание определяется зеркально-теневым методом однократно или многократно отраженным пучком УЗК двумя преобразователями с углом ввода 70° или 65° на частоте 5.0 или 2.5 МГц прибором, снабженным аттенюатором. Кратность отражений выбирается таким образом, чтобы ультразвуковой лучек (луч) проходил через максимальную ширину поперечного сечения шва (рис. ).

5.6.3. При прозвучивании необходимо преобразователи установить так, чтобы получить на экране электронно-лучевой трубки сигнал максимальной амплитуды. Расстояние "L " между преобразователями может быть определено расчетным путем по формуле

где: d - толщина металла;

a - угол ввода луча.

Замеры амплитуд сигналов проводят на трех участках на каждом метре шва и основного металла.

Определяют разность ,

где - средняя амплитуда сигналов при прохождении ультразвуковых колебаний в основном металле;

Средняя амплитуда сигналов в сварном шве;

i - 1, 2, 3 - номер измерения.

5.6.4. При настройке параметров УЗК допускается применение АРД-номограмм с обязательным учетом величины относительного затухания, угла ввода ультразвукового луча в сварном соединении и средней статистической скорости ультразвуковых колебаний.

Рисунок 3. Схемы контроля для определения величины относительного
затухания D А ультразвуковых колебаний в зависимости от вида сварного шва:
а, в - в металле шва; б, г - в основном металле

5.7.1. Измерение содержания ферритной фазы проводится ферритометрами, на 3 - 5 участках сварного шва по его центральной оси в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора.

5.7.2. Для измерения содержания ферритной фазы рекомендуются ферритометры пондеромоторного типа ФА-5 с высокой степенью локальности, разработанные НИИХИММАШ, ферритометры локальные МК-2Ф с накладным электромагнитным преобразователем, разработанные НПФ "АВЭК", г. Екатеринбург и др.

5.8.1. Если относительное затухание D А £ 8 ДБ, то выбор параметров контроля производится в соответствии с табл. .

При значениях относительного затухания от 9 до 15 ДБ параметры контроля выбираются по табл. .

Измерения проводились поперечными волнами на частоте 2,5 МГц. Образцы сварных соединений толщиной от 8 до 20 мм имели сегментные отражатели с площадью отражаемой поверхности 2,0 и 2, 5 мм 2 .

Из рисунка видно, что сварные швы с содержанием ферритной фазы от 0 до 3 % являются не дефектоскопичными.

5.8.3. Дефектоскопичность и параметры контроля (п. ) угловых и тавровых сварных соединений определяются в соответствии с графиком рис. , в зависимости только от содержания ферритной фазы в сварных швах, измеренного согласно п. настоящего стандарта, при этом измерение содержания ферритной фазы в указанных швах целесообразно проводить преобразователями карандашного типа. Измерив среднее значение содержания ферритной фазы дефектоскопист по графику, проведенному на рис. определяет значение относительного затухания и затем в соответствии с п. устанавливает параметры контроля шва (см. приложение ).

5.8.4. Образцы для настройки чувствительности дефектоскопа, а также СО-2А и СО-3А должны быть изготовлены и аттестованы в установленном порядке.

Рисунок 4. 3ависимость относительного затухания ультразвуковых колебаний D А
от содержания ферритной фазы а в сварном шве стали 12Х18Н10Т

6. Методика контроля стыковых сварных соединений*

* Методика ВИК приведена в пункте и Приложении .

6.1. Стыковые сварные соединения толщиной от 4 до 30 мм контролируются с двух сторон сварного шва с наружной или внутренней поверхности изделия. Схемы прозвучивания швов указаны в таблицах № и № . На рис. указаны схемы прозвучивания прямым, однократно отраженным и двукратно отраженным лучами.

6.2. Для выявления дефектов типа поперечных трещин, ориентированных в плоскости, перпендикулярной оси шва, сварной шов необходимо дополнительно проконтролировать при чувствительности, повышенной на 6 дБ от предельной, перемещая преобразователь вдоль каждой из сторон шва под углом 10 - 30° к его оси (рис. ) без изменений расстояния от усиления шва, но с обязательным разворотом преобразователя вокруг его центральной оси на угол 5 - 10°. Места сопряжений кольцевых и продольных сварных швов контролируют по схеме, представленной на рис. .

6.3. При контроле сварных соединений, имеющих различную толщину свариваемых листов, один из которых имеет скос от кромки прозвучивание со стороны листа с меньшей толщиной производят прямым и однократно отраженным лучом, а со стороны листа с переменной толщиной проводят прямым лучом со стороны листа, не имеющего скоса (рис. а). При наличии скоса от кромки у обоих листов или скоса с двух сторон листа ультразвуковой контроль не производится. Схема определения величины амплитуды сигнала при прохождении УЗК через металл шва представлена на рис. б. Амплитуда сигнала в основном металле определяется путем её измерения на листе изделия меньшей толщины.

6.4. Допускается проводить ультразвуковой контроль сварных соединений с односторонним доступом к сварному шву, если выявление внутренних дефектов недоступно для рентгено-гаммаграфирования или других методов контроля.

а - контроль прямым лучом;
б - контроль однократно отраженным лучом;
в - контроль двукратно отраженным лучом.

Рисунок 5. Схема прозвучивания сварных соединений прямым,
однократно отраженным и двукратно отраженным лучами

Рисунок 6. Схема перемещения преобразователя при контроле сварного шва

Рисунок 7. Схема контроля сопряжений кольцевых и продольных сварных швов

Рисунок 8. Схема ультразвукового контроля сварного соединения
с различной толщиной листов

7. Методика контроля угловых и тавровых сварных соединений

7.1. Для определения дефектоскопичности угловых и тавровых сварных соединений достаточно измерить содержание ферритной фазы в поверхностном слое сварных швов согласно п.п. - настоящего стандарта.*

* В большинстве случаев содержание феррита по сечению шва лежит в пределах ошибки измерения.

7.2. При контроле угловых (рис. ) и тавровых (рис. ) соединений могут применяться следующие схемы контроля:

По наружной или внутренней поверхностям стенки углового соединения;

По поверхностям полки или стенки таврового соединения.

Угловые и тавровые соединения сосудов и аппаратов следует контролировать, как правило, по наружной поверхности корпуса. Допускается проводить контроль по внутренней поверхности корпуса или патрубка.

Схема контроля выбирается в зависимости от расположения возможных дефектов, условия полного прозвучивания наплавленного металла шва и условий доступности контроля. Преимущественным должен быть контроль по наружной поверхности углового соединения (рис. а, б, в) и по наружной поверхности полки таврового соединения (рис. ).

7.3. Контроль угловых и тавровых сварных соединений с плоскими стенками производится прямыми или прямыми раздельно-совмещенными и наклонными преобразователями с углами ввода 65° и 70°. Рабочая частота для прямых или прямых раздельно-совмещенных преобразователей должна быть 5,0 МГц.** Чувствительность и параметры контроля должны соответствовать данным приведенным в табл. .

Контроль углового или таврового соединения, если есть к ним доступ, производится в два приема: прямым преобразователем и наклонным преобразователем прямым и однократно отраженным лучами (рис. , ).

** Допускается применение прямых или прямых раздельно-совмещенных преобразователей с частотой 2,5 МГц.

7.4 При контроле прямым преобразователем сварное соединение не должно находится в его мертвой зоне.

7.5 Настройку предельной чувствительности и определение мертвой зоны следует проводить по образцу с плоскодонными отверстиями (рис. ).

Рисунок 9. Схемы контроля угловых сварных соединений

Рисунок 10. Схемы контроля тавровых сварных соединений

Таблица 3

	Рабочая частота, МГц	Вид искусственного отражателя	Предельная чувствительность, мм 2		Диаметр отверстия, мм
			Ферритная фаза, %		Ферритная фаза, %
			a > 5,0	a = 3 ¸ 5	a > 5,0	a = 3 ¸ 5
4,0-6,0		Отверстие с плоским дном
8,0-10,0		- // - // - // -
12,0-18,0		- // - // - // -
20,0-22,0		- // - // - // -
24,0-30,0		- // - // - // -

Рис. 11. Стандартный образец предприятия (СОП) с плоскодонными отверстиями,
выполненными в наплавленном металле.

Толщина наплавленного металла составляет 6,0 мм. Диаметр отверстия выбирается из таблицы №
в зависимости от толщины контролируемого металла и содержания ферритной фазы.

8.1. Для оценки качества сварных швов измеряются следующие характеристики выявленных дефектов:

Амплитуда отраженного сигнала от дефекта;

Координаты расположения дефекта;

Условная протяженность дефекта или дефектной зоны вдоль шва, (а при необходимости, например, при технической диагностике также условная высота);

Условное расстояние между дефектами;

Количество дефектов на определенной длине шва.

Указанные характеристики определяют при заданной предельной чувствительности дефектоскопа, при которой амплитуда эхо-сигнала от контрольного отражателя равна 50 % от размера экрана дефектоскопа.

8.2. Амплитуда сигнала от дефекта измеряется величиной импульса на экране в % и величиной ослабления импульса в дБ до ориентировочного уровня 50 % от высоты экрана дефектоскопа.

8.3. Условная протяженность дефекта или дефектной зоны измеряется длиной зоны перемещения преобразователя вдоль шва в обе стороны, в пределах которой эхо-сигнал от дефекта изменяется от своего максимального значения до уровня 3 - 5 мм.

8.4. Условное расстояние между дефектами измеряется между крайними положениями преобразователя, при которых была определена условная протяженность двух рядом расположенных дефектов.

8.5. При контроле необходимо различать точечные и протяженные дефекты. К точечным дефектам относятся такие дефекты, условная протяженность которых не превышает условной протяженности искусственного дефекта в СОП, определяемого на глубине, соответствующей глубине залегания дефекта в сварном шве изделия. К протяженным дефектам относятся такие дефекты, условная протяженность которых превышает условную протяженность искусственного дефекта в СОП, определяемого на глубине залегания дефекта в сварном шве изделия. Совокупность дефектов, условное расстояние между которыми не превышает условной протяженности точечного дефекта, следует отнести к цепочке дефектов. Фиксации подлежат все точечные дефекты амплитуда отраженного сигнала от которых равна или превышает 50 % от размера экрана дефектоскопа и протяженные дефекты, амплитуда сигнала которых превышает 25 % на экране дефектоскопа.

8.6. Для сосудов и аппаратов с общими техническими условиями изготовленных в соответствии с ГОСТ Р 52630-2006 , ПБ 03-584-03 ОСТ 26-291-94 к недопустимым дефектам сварных швов по результатам ультразвукового контроля относятся:

Дефекты точечные (непротяженные), амплитуда сигнала от которых равна или более амплитуды сигнала от искусственного отражателя в СОП;

Протяженные дефекты, амплитуда сигналов от которых более 25 % амплитуды сигнала от искусственного отражателя в СОП;

Цепочки точечных дефектов, амплитуда эхо-сигналов от которых равна или более 50 % амплитуды сигнала от искусственного отражателя и суммарная условная протяженность которых превышает более чем в 1,5 раза толщину стенки изделия на участке, равном по длине десятикратной толщине стенки изделия.

8.7. Участки сварных швов, признанные по результатам ультразвукового контроля неудовлетворительными, подлежат исправлению, заварке и повторному контролю.

8.8. В необходимых случаях для получения дополнительной информации о дефектах может быть применен радиографический метод, метод послойного вскрытия соединения с обязательной цветной дефектоскопией, металлографический и другие методы контроля.

9. Оформление технической документации по результатам
ультразвукового контроля

10. Требования безопасности

10.1.При проведении работ по ультразвуковому контролю на дефектоскописта возможно воздействие следующих опасных и вредных производственных факторов:

Тока, подводимого для питания ультразвукового дефектоскопа;

Проникающие в кисть руки ультразвуковые колебания, применяемые для контроля металлов и сплавов;

Высокий уровень шумов и повышенная яркость света при сварке;

10.2. Электробезопасность при ультразвуковом контроле обеспечивается выполнением требований "Межотраслевых правил по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок" ПОТ Р М-016-2001 .

10.3. Мероприятия по пожарной безопасности осуществляются в соответствии с требованиями типовых правил пожарной безопасности для промышленных предприятий.

10.4. К работе по ультразвуковому контролю допускаются лица, прошедшие инструктаж по правилам техники безопасности, о чем должна быть занесена запись в журнал, имеющие удостоверения по проверке знаний "Правил техники эксплуатации электроустановок потребителей и Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей ", производственных инструкций предприятия. Дефектоскопист должен иметь удостоверение о проверке знаний правил промышленной безопасности согласно ПБ 03-440-02 .

10.5. Подключение дефектоскопа к сети питания и отключение его производит дежурный электрик. На специально оборудованных постах подключение может производить дефектоскопист. Дефектоскопы необходимо подключать к малонагруженным электрическим (осветительным) линиям. Если это невозможно, дефектоскоп следует подключать через стабилизатор напряжения.

10.6. Перед каждым включением дефектоскопа оператор должен убедиться в надежности его заземления. Заземление дефектоскопа должно выполняться в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.030-81 "ССБТ Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление".

Заземление ультразвуковых дефектоскопов должно осуществляться специальной жилой переносного провода, которая не должна одновременно служить проводником рабочего тока. В качестве заземляющего проводника следует использовать отдельно жилу в общей оболочке с фазным проводом, которая должна иметь одинаковое с ним сечение. Использовать нулевой провод для заземления запрещается. Жилы проводов и кабелей для заземления должны быть медными, гибкими, сечением не менее 2.5 мм 2 .

10.8. Контроль внутри сосудов (емкостей) должен проводиться дефектоскопами с автономным питанием напряжением до 12 В звеном из двух дефектоскопистов.

10.9. Штепсельные розетки для переносных электроприборов должны быть снабжены специальными контактами для присоединения заземляющего проводника.

При этом конструкция штепсельного соединения должна исключать возможность использования токоведущих контактов в качестве заземляющих. Соединение заземляющих контактов штепселя в розетки должно осуществляться до того, как войдут в соприкосновение токоведущие контакты, порядок отключения должен быть обратным.

10.10. Для предотвращения воздействия на дефектоскописта ультразвуковых колебаний при ультразвуковом контроле следует руководствоваться "Правилами безопасности и производственной санитарии для операторов ультразвуковой дефектоскопии", разработанными Московским научно-исследовательским институтом им. М.Ф. Владимирского, утвержденными Минздравом СССР 29 декабря 1980 г.

10.11. В шумных цехах необходимо использовать индивидуальные средства защиты. Уровень шума, создаваемого на рабочем месте оператора, не должен превышать допустимый ГОСТ 12.1.003-83 .

10.12. По возможности рабочие места дефектоскопистов должны быть фиксированы. Если на расстоянии менее 10 м от места контроля производится сварка или другая работа, связанная с ярким освещением, необходимо установить ограничительные щиты.

10.13. Перед проведением дефектоскопии на высоте, в труднодоступных местах или внутри металлоконструкций дефектоскопист должен пройти дополнительный инструктаж по технике безопасности в этих условиях, а его работа должна контролироваться службой техники безопасности. Кроме того, дефектоскопист должен иметь удостоверение на право проведения работ на высоте.

10.14. На рабочем месте, расположенном на высоте, например, в полевых условиях при выполнении работ по диагностике или экспертизе промышленной безопасности, должны быть сооружены мостики или леса, обеспечивающие дефектоскописту удобный доступ к любому участку контролируемого изделия, при этом дефектоскопист должен пользоваться предохранительным поясом.

10.16. Нарушивший правила техники безопасности должен быть отстранен от работы и вновь допущен к ней только после дополнительного инструктажа по технике безопасности.

10.17. Принадлежности, используемые дефектоскопистом: масленки, обтирочные материалы, ветошь и бумага, должны храниться в металлических ящиках.

10.18. Специалист по ультразвуковому контролю, поступающий на работу, должен пройти обязательный медицинский осмотр. Принятый на работу персонал должен проходить периодические (один раз в год) медицинские осмотры в соответствии с приказом Минздрава СССР № 400 от 30 мая 1960 г. и "Лечебно-профилактическими мероприятиями по улучшению состояния здоровья и условий труда операторов ультразвуковой дефектоскопии", утвержденными Минздравом СССР 15 марта 1976 г.

10.19. При работе на предприятиях химических, нефтехимических и других смежных отраслей промышленности необходимо выполнять требования по технике безопасности, установленные для данного предприятия.

Приложение А
(справочное)
Допускаемое содержание ферритной фазы при сварке коррозионностойких
сталей аустенитного и аустенитно-ферритного классов в металле шва
и наплавленном металле

Акустические свойства металла шва высоколегированных сталей аустенитного и аустенитно-ферритного классов: хромоникелевых, хромоникелемолибденовых, хромомарганцовистых и др., изменяются в зависимости от применяемого способа и стабильности режимов сварки, химического состава электродов и проволоки. В зависимости от условий сварки может быть получена сравнительно однородная мелкозернистая структура шва, обеспечивающая высокую чувствительность ультразвукового метода контроля, или неоднородная крупнозернистая при которой из-за резкого затухания УЗК и высокого уровня помех, соизмеримого с уровнем полезных сигналов, ультразвуковой контроль становится неэффективным.

Выделение феррита в процессе формирования сварного шва способствует образованию в нем более мелкой структуры.

С целью предотвращения охрупчивания металла шва сварочные материалы, предназначенные для выполнения сварных соединений, эксплуатирующихся при температуре свыше 350 °С, должны обеспечивать в металле шва или наплавки содержание ферритной фазы указанной в таблице № согласно ОСТ 26.260.3-2001 .

Таблица 1

	Температура эксплуатации соединения, °С
Св-07Х18Н9ТЮ	до 350	не ограничивается
Св-07Х19Н10Б
Св-07Х25Н13	свыше 350 до 450
Св-07Х25Н12ТЮ
Св-04Х19Н11М3	свыше 500 до550
Св-06Х19Н10М3Б
Св-08Х19Н10М3Б
Св-06Х19Н10М3Т при ультразвуковой дефектоскопии. В сварных соединениях не допускаются следующие поверхностные дефекты: Трещины всех видов и направлений; Подрезы; Наплывы, прожоги и незаплавленные кратеры; Смещение и совместный увод кромок свариваемых элементов свыше норм, предусмотренных настоящим стандартом; Несоответствие формы и размеров швов требованиям стандартов, технических условий проекта; Поры, выходящие за пределы норм, установленных таблицей ; Чешуйчатость поверхности и глубин впадин между валиками шва, превышающие допуск на усиление шва по высоте. Допускаются местные подрезы в сосудах 3, 4-й и 5а, 5б групп, предназначенных для работы при температуре свыше 0 °С. При этом их глубина не должна превышать 5 % толщины стенки, но не более 0.5 мм, а протяженность 10 % длины шва. Допускается в сварных соединениях из сталей и сплавов марок 03Х21Н21М4ГБ, 03Х28МДТ, 06Х28МДТ отдельные микронадрывы протяженностью не более 2 мм. Для выявления внутренних дефектов сварных соединений следует применять методы неразрушающего контроля, в которых используют проникающие физические поля (ультразвуковой или радиографические). Ультразвуковую дефектоскопию сварных соединений следует проводить в соответствии с ГОСТ 14782 и настоящего СТО. Ультразвуковой метод контроля (радиографический или их сочетание) следует выбирать исходя из возможностей более достоверного (полного и точного) выявления дефектов с учетом условий эксплуатации (группа оборудования), методики контроля для данного вида сварных соединений сосуда (сборочных единиц, деталей), а также согласованного документа между заказчиком и исполнителем. Таблица 1 Номинальная толщина наиболее тонкой детали, мм Допустимый максимальный размер дефекта, мм Допустимое число дефектов на любые 100 мм шва От 2 до 3 включ. Св. 3 до 4 включ. Св. 4 до 5 включ. Св. 5 до 6 включ. Св. 6 до 8 включ. Св. 8 до 10 включ. Св. 10 до 15 включ. Св. 15 до 20 включ. Св. 20 до 40 включ. Св. 40 Контролю подлежат:* * Примечание . Данными, изложенными в справочном приложении , следует руководствоваться только для сварных соединений, указанных в настоящем СТО. а) стыковые, угловые, тавровые сварные соединения, доступные для этого контроля в объеме не менее указанного в таблице ; б) места сопряжения (пересечений) сварных соединений; в) сварные соединения внутренних и наружных устройств по указанию в проекте или технических условиях на сосуд (сборочную единицу, деталь); г) сварные соединения элементов перлитного класса с элементами из сталей аустенитного класса в 100 %-ном объеме; д) перекрываемые укрепляющими кольцами участки сварных швов корпуса, предварительно зачищенные заподлицо с наружной поверхности корпуса; е) прилегающие к отверстию участки сварных швов корпуса, на которых устанавливаются люки и штуцера, на длине равной ( Примечания : 1. Контроль сварных соединений, в том числе и мест сопряжений сварных соединений, сосудов 5б группы или работающих без давления (под налив), ультразвуковым (или радиографическим) методом, допускается не проводить по усмотрению предприятия - изготовителя, если нет других указаний в проекте. 2. Контроль сварных швов опор следует проводить при наличии указания в проекте. Места контроля сварных соединений сосудов 3, 4-й, 5а и 5б групп ультразвуковым или (радиографическим) методом должны быть указаны в технической документации на сосуд. Перед контролем соответствующие участки сварных соединений должны быть так замаркированы, чтобы их можно было легко обнаружить на картах контроля (или радиографических) снимках. При выявлении недопустимых дефектов в сварном соединении сосудов 3, 4, 5а и 5б групп подлежат обязательному контролю тем же методом все однотипные сварные соединения, выполненные данным сварщиком (оператором), по всей длине соединения. При невозможности осуществления контроля сварных соединений ультразвуковым (или радиографическим) методом из-за их недоступности (ввиду конструктивных особенностей сосуда), ограниченности технических возможностей этих методов или по условиям техники безопасности или неэффективности (в частности, при наличии конструктивного зазора) контроль качества этих сварных соединений следует проводить по нормативному документу для контроля недоступных швов. Приложение В (специальное) Особенности визуального и измерительного контроля при техническом диагностировании оборудования в процессе его эксплуатации и подход к оценке норм браковки. При эксплуатации сосудов появляются новые дефекты, поэтому дефектоскопист должен учитывать рекомендации методических указаний, изложенных в РД 03-421-01 относительно технического диагностирования оборудования и экспертизе промышленной безопасности. Работы по подготовке сосуда к техническому диагностированию выполняется организацией - владельцем сосуда. Работы по подготовке сосуда завершаются оформлением акта о готовности сосуда и передачей акта специализированной организации, выполняющей техническое диагностирование. Работы по техническому диагностированию сосудов и аппаратов должны выполняться по программе, разрабатываемой на сосуд или группу сосудов на основании методических указаний с учетом требований норм и правил, предъявляемым к сосудам при их изготовлении. Особое внимание следует обращать на проведение внутреннего и наружного осмотра. Наружный и внутренний осмотр проводится с целью выявления дефектов, которые могли возникнуть, как в процессе его эксплуатации, так и при его изготовлении, транспортировке и монтаже. При осмотре защитные покрытия и изоляция подлежат удалению на участках поверхности сосуда, где имеются явные признаки нарушения их целостности. Необходимость удаления защитного покрытия и изоляции на других участках поверхности сосуда определяется специалистами организации, проводящей техническое диагностирование. Осмотру подлежат все доступные сварные соединения сосуда и его элементы в целях выявления в них следующих дефектов: Свищей и пористости швов; Подрезов, наплывов, прожогов, незаплавленных кратеров; Смещений и уводов кромок стыкуемых элементов свыше норм, предусмотренных «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», «Правилами проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных» и ГОСТ Р 52630-2006 ; Несоответствий форм и размеров требованиям технической документации; Деформаций поверхности сосуда (в виде вмятин, отдулин и т.п.). Особое внимание следует обратить на состояние сварных соединений в зонах концентрации напряжений (местах приварки горловины люка и штуцеров обечайке и днищам, особенно в зонах входных и выходных штуцеров, на участках пересечения швов, в зонах сопряжений обечайки с днищами, места приварки опорных узлов и др.), а также возможного скопления конденсата на участках проведенного ранее ремонта. Для сосудов из аустенитных сталей особое внимание при осмотре следует уделять местам возможного попадания на поверхность сосуда воды, паров и влажных газов ввиду возможного образования в этих местах коррозионных трещин. При проведении осмотра в случае возникающих сомнений по классификации и размерам выявленных дефектов следует применять лупу 4 - 10 кратного увеличения, а также по усмотрению специалиста, выполняющего осмотр, любого из неразрушающих методов контроля. Оценка выявленных при осмотре деформированных участков поверхности сосуда производится путем замера максимального прогиба и площади деформированного участка. Замер производится мерительным инструментом обеспечивающим погрешность ±1,0 мм. При исследовании коррозионного состояния сосудов устанавливают: Степень коррозионно-эрозионного поражения внешней и внутренней поверхности сосудов в результате эксплуатации; Наличие (отсутствие) механических повреждений, дефектов, допущенных ранее при изготовлении сосуда, которые могут повлиять на дальнейшую безопасную эксплуатацию сосуда. На теплообменном и другом оборудовании, где часто производится открывание и закрывание крышек, люков-лазов и т.п., необходимо осматривать крепеж на соответствие требованиям НТД. При внутреннем осмотре определяют наличие (отсутствие) коррозионных трещин, язв, питтингов, сплошной коррозии на основном металле, сварных швах и околошовной зоне, в местах ремонта, застойных зонах, под осадком, в зоне скопления конденсата, где возможно возникновение щелевой коррозии. Необходимость и объем демонтажа теплоизоляции определяется специалистами, проводящими обследование, с учетом требований РД 03-421-01 . Осмотру подлежат внешние опоры аппаратов, при этом необходимо проверять сварные швы приварки опор к корпусу аппарата. Коррозионные механические дефекты оцениваются по глубине, площади и количеству на 1 дм 2 (или 1 м 2). Глубина проникновения коррозии определяется после удаления продуктов коррозии. Скорость сплошной коррозии оценивается в соответствии с ГОСТ 9.908-85 . При обнаружении трещин коррозионного или механического характера эксплуатация сосуда должна быть прекращена. По результатам ВИК обследования составляется акт, в котором указывается дата, место обследования, регистрационный и заводской номер сосуда, обнаруженные дефекты, состояние поверхности, скорость коррозии конструкционных материалов. Коррозионностойкие (нержавеющие) стали при высокой стойкости против сплошной, язвенной, щелевой и точечной (питтинговой) коррозии могут быть подвержены межкристаллитной коррозии (МКК). МКК характеризуется избирательным разрушением границ зерен металла и приводит к резкому снижению его прочности, МКК обычно появляется в зоне термического влияния сварных швов. В некоторых средах (азотная кислота, нитраты и т.п.) возможно проявление ножевой коррозии по линии сплавления сварного шва, которая является разновидностью МКК. В растворах хлоридов, щелочах, ряде кислот при повышенных температурах (обычно выше 40 - 50 °С) нержавеющие стали подвержены коррозионному растрескиванию (КР). Наибольшая вероятность КР возникает в местах наибольших остаточных напряжений после сварки, штамповки, гибов и т.п. Объем дефектоскопического контроля сварных соединений сосудов зависит от группы сосуда, от объема контроля, выполненного в процессе изготовления сосуда и в процессе его эксплуатации, и определяется в каждом конкретном случае специалистами (экспертами), проводящими диагностирование. Необходимо, чтобы объем полученной информации позволял достоверно судить о состоянии всех несущих элементов сосуда. Объем контроля сварных соединений определяется в процентах от общей длины сварных швов. В случае обнаружения при осмотре сосуда локально деформированных участков (например: вмятин, выпучин, гофров и т.п.) деформированную зону и прилегающую к ней зону недеформированного металла шириной 100 - 150 мм по периметру следует подвергнуть контролю на отсутствие трещин с помощью ВИК или ЦД. Дефектоскопии следует подвергать элементы оборудования или сварные соединения, качество металла которых вызывает сомнения. При назначении выборочного (неполного) контроля сварных соединений следует учитывать, что участки пересечения продольных и кольцевых сварных швов обязательно должны быть включены в зоны контроля. При технической невозможности осмотра внутренней или наружной поверхности сосуда объем контроля сварных соединений независимо от группы сосуда должен выполняться по программе, согласованной между Заказчиком и Исполнителем. При обнаружении недопустимых дефектов в процессе исходного контроля сварных соединений объем контроля должен быть увеличен не менее чем вдвое. В первую очередь следует расширить зоны контроля сварных швов в местах обнаружения дефектов. Замеры твердости основного металла и сварных соединений сосудов рекомендуется производить в следующих случаях: Если показатель твердости является одной из определяющих характеристик свойств основного металла и сварных соединений по паспорту и в результате условий эксплуатации сосуда (температура, давление, среда) или в результате аварийной ситуации могли произойти необратимые изменения этого показателя; Для оценки механических свойств по показателю твердости в случае необратимых изменений этих свойств в результате условий эксплуатации сосуда или в результате аварийной ситуации; Для оценки механических свойств в случае необходимости идентификации основных и сварочных материалов при отсутствии сведений о них (например, при утрате и связанной с этим необходимостью восстановления паспорта сосуда), а также в случае необходимости идентификации импортных сталей рекомендуется применять также стилоскопы. Инструменты для проведения исследований (краткий перечень) Лупы, в том числе измерительные от 4 до 10 кратного увеличения по ГОСТ 25706-83 . Щупы № 2 - 4. Нутромеры микрометрические по ГОСТ 10-88 и индикаторные по ГОСТ 868-82 . Шаблоны (типа УШС по ТУ 1021.338-83) радиусные и др. Линейки измерительные металлические по ГОСТ 427-75 . Магниты металлические. Измерительные металлические рулетки. Зеркала, эндоскопы и бароскопы. Стилоскопы и измерители твердости. Лазерные нивелиры и дальномеры. Библиография 1. Ермолов И.Н. "Сопоставление европейских и российских стандартов на УЗК сварных соединений". Доклад на международной конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности". Москва, апрель 2003 г. 3. Бобров В.А., Орлова Л.В. и др. «Методика и средства ультразвукового контроля для сварного химического и нефтехимического оборудования». Ж. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», № 2, 2004 г. 4. Бобров В.Л. «Неразрушающие методы контроля при изготовлении и эксплуатации сосудов и аппаратов», Ж. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», № 11, 2005 г. 6. Справочник. Неразрушающий контроль, том 1. Визуальный контроль, под ред. В.В. Клюева // М. «Машиностроение», 2006 г. 7. Справочник. Неразрушающий контроль, том 3. Ультразвуковой контроль, под ред. В.В. Клюева // М. «Машиностроение», 2004 г. 8. Терминологический словарь по промышленной безопасности // М. Госгортехнадзор России, 2004 г.