Какой искусственный дефект называется протяженным
Перейти к содержимому

Какой искусственный дефект называется протяженным

  • автор:

Какой искусственный дефект называется протяженным

Образование точечных дефектов в полупроводниковых кристаллах (КАШКАРОВ П.К. , 1999), ФИЗИКА

Рассмотрены общие вопросы физики точечных дефектов в неметаллических кристаллах. Анализируются возможные типы дефектов и их проявление в электронных процессах. Обсуждаются механизмы образования точечных дефектов при тепловом и радиационном возбуждениях кристалла.

В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛАХ

Московский государственный университет

им. М.В. Ломоносова

Любые отклонения от периодической структуры кристалла называются дефектами. Последние принято разделять на точечные и протяженные. Точечные дефекты характеризуются тем, что искажения решетки кристалла сосредоточены в окрестностях одного узла, то есть локализованы на расстояниях порядка межатомного а. Протяженные дефекты могут быть линейными (дислокации), плоскостными (межфазные границы) и объемными (поры, трещины). Их размеры в одном, двух и трех направлениях соответственно существенно превышают величину а.

Присутствие дефектов кардинально влияет на механические, электрические, оптические и другие свойства твердых тел. Очевидно, что, чем чище и совершеннее материал, тем это влияние заметнее. Современная технология достигла высоких результатов в создании полупроводниковых кристаллов: содержание остаточных примесей в них может быть понижено до 10- 8 % при минимальном числе линейных дефектов. Поэтому мы и ограничили свое рассмотрение точечными дефектами в этих материалах.

Реальные кристаллы в равновесии при Т > 0 всегда содержат небольшое число дефектов, соответствующее минимуму потенциальной энергии. Дополнительные дефекты вносятся при различных воздействиях: нагреве, деформации, облучении частицами и др. Указанные воздействия могут осуществляться целенаправленно на определенных этапах технологического цикла создания полупроводникового прибора или быть нежелательными, например при работе полупроводникового устройства в условиях повышенной радиации. Следовательно, практика настоятельно диктует поиск путей управления свойствами дефектов в кристаллах. Помимо этого изучение процессов возникновения, перестройки и аннигиляции дефектов представляет несомненный интерес и с фундаментальной точки зрения. Сегодня это одна из центральных задач физики твердого тела.

Экспериментальное исследование образования дефектов в кристаллах началось еще в XIX веке. Однако существенное продвижение в понимании физики этого явления на микроскопическом уровне можно отнести к концу 20-х годов нашего столетия. В тот период в России развернулись работы под руководством Я.И. Френкеля. Дальнейший импульс наука о дефектах получила в 40-50-х годах в связи с созданием ядерного оружия и возникшей при этом проблемой радиационной стойкости приборов. К настоящему времени усилиями ученых, и в значительной степени ученых из бывшего СССР, накоплен обширный экспериментальный и теоретический материал по физике образования дефектов в твердых телах. Однако многие вопросы еще далеки от разрешения, в частности одной из наиболее трудных задач является установление микроскопической природы дефектов в различных материалах.

Предлагаемая статья ставит цель познакомить читателя с основными понятиями физики точечных дефектов в полупроводниках и с существующими представлениями о механизмах возникновения дефектов при различных активных воздействиях, в том числе и лазерном.

ТИПЫ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ

Собственными точечными дефектами в одноатомном кристалле являются вакансия — отсутствие атома в узле решетки — и междоузельный атом — лишний атом, внесенный в решетку (рис. 1). Указанные дефекты обозначаются в литературе буквами V и I от английских терминов vacancy и interstitial соответственно. Вакансия может быть как изолированной (дефект Шоттки), так и образовывать комплекс с атомом, расположенным в ближайшем междоузлии. Указанный комплекс называется парой Френкеля.

В кристалле, состоящем из атомов двух типов: А и В, число возможных собственных дефектов расширяется. Это вакансии в двух подрешетках VA и VB , междоузельные атомы IA , IB . В бинарных материалах появляется совершенно новый тип точечного дефекта — антиструктурный, представляющий собой атом А в подрешетке атомов В (АВ) или атом В в подрешетке атомов А (ВА) (рис. 2). Именно такой вид дефектов является одним из основных в полупроводниках А3В5 (GaAs, GaP и др.).

При введении инородных атомов в кристалл возникают несобственные, так называемые примесные центры. Если инородный атом оказывается в узле, то это дефект замещения, если в междоузлии, то это атом внедрения.

При определенных условиях собственные точечные дефекты могут образовывать комплексы типа дивакансий V2 , мультивакансий Vn , уже упоминавшиеся пары V-I, а также комплексы с атомами примеси. Так, например, в Ge и Si характерными дефектами являются комплексы вакансия — кислород и вакансия — элемент V группы, называемые в литературе А- и Е-центрами соответственно. В бинарных материалах, очевидно, спектр возможностей для образования комплексов существенно шире: это связанные вакансии в различных подрешетках VAVB , комбинации с антиструктурными дефектами VABA , ABBA и т.д.

ПРОЯВЛЕНИЕ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ

В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕССАХ

Энергетический спектр электронов в идеальном полупроводниковом кристалле представляет собой набор чередующихся зон, разделенных интервалами, в которых нет разрешенных для электронов уровней энергии (запрещенные зоны) (рис. 3, а). Наивысшая зона, уровни которой при Т = 0 целиком заполнены, называется валентной, а следующая за ней пустая зона — зоной проводимости. На рис. 3, б приведены именно эти две разрешенные зоны, разделенные интервалом Еg .

Любое отклонение от периодической структуры кристалла вызывает появление разрешенных уровней энергии в запрещенной зоне (Е1 , Е2 , Е3). Является ли уровень, соответствующий дефекту, заполненным электроном или пустым, зависит от положения уровня Ферми ЕF в данном полупроводнике. Все электронные уровни, расположенные ниже ЕF (Е2 и Е3 на рис. 3, б ), заполнены, а расположенные выше ЕF (Е1 на рис. 3, б ) пусты. Следовательно, в зависимости от соотношения ЕF и уровня дефекта его зарядовое состояние может изменяться. В простейшем случае дефект обладает только двумя зарядовыми состояниями. Если эти состояния определяются зарядами + e и 0, то центр называется донорным, а в случае — e и 0 — акцепторным. В нашем примере если центры с уровнями Е2 и Е3 — акцепторы, то они несут заряд — e.

Весьма важной характеристикой дефекта является положение энергетического уровня относительно края разрешенной зоны (ЕC или ЕV). Пусть Е1 — уровень донорного, а Е3 — уровень акцепторного центров и пусть выполняется условие

ЕC — Е1 ! kT, Е3 — ЕV ! kT,

где k — постоянная Больцмана. Тогда оба уровня называются мелкими. Это означает, что если существуют центры только одного типа, то они при температуре, соответствующей выполнению условия (1), будут полностью ионизованы (заряжены). То есть доноры полностью отдадут электроны в зону проводимости, а акцепторы захватят электроны из валентной зоны, оставив подвижные носители заряда — дырки. Именно введением дефектов с мелкими уровнями и осуществляется создание областей с электронной или дырочной проводимостью.

Как известно из школьного курса, для материалов группы АIV (Ge и Si) такими дефектами являются атомы замещения III (акцепторы) и V (доноры) групп. Действительно, для германия энергетические зазоры между уровнями примесных центров и соответствующими границами разрешенных зон составляют около 0,01 эВ, что существенно меньше значений kT при комнатной температуре (0,025 эВ). В материалах А3В5 донорами являются атомы замещения VI группы, а акцепторами — II группы. Интересно отметить, что примеси IV группы, например Si, могут выполнять обе роли в зависимости от того, в какой подрешетке они занимают узел.

Уровни, для которых условие (1) не выполняется, называют глубокими. Как правило, такие дефекты являются эффективными центрами безызлучательной рекомбинации носителей заряда. Процессы рекомбинации, как известно, определяют время восстановления термодинамического равновесия в электронной подсистеме полупроводника. Примером могут служить А-центр в Ge и Si и комплекс AsGa в арсениде галлия. Очевидно, что деление уровней дефектов на мелкие и глубокие до известной степени относительно, ибо соотношение (1) зависит от температуры и всегда можно выбрать столь низкое значение Т, что оно нарушится.

ДЕФЕКТОВ В КРИСТАЛЛАХ

Как уже отмечалось во введении, такие активные воздействия на полупроводники, как нагрев, деформация, радиация и др., ведут к формированию дефектов. Здесь мы уделим основное внимание термофлуктуационному и радиационному механизмам дефектообразования. Первичным продуктом при любом механизме является возникновение пары Френкеля. Конечный результат определяется возможностью перемещения (диффузии) компонент этой пары V и I по кристаллу и формирования устойчивых комплексов, в частности с примесными дефектами. Поэтому прежде всего мы остановимся на методах создания последних в процессе роста кристалла.

Что касается механических воздействий, то относительно небольшие деформации (в пределах выполнения закона Гука), не вызывая непосредственно возникновения точечных дефектов, влияют на условие реализации указанных выше двух механизмов, и мы проанализируем это влияние. При значительных деформациях в кристаллах формируются протяженные дефекты-дислокации. Обсуждение этих процессов выходит за рамки настоящей статьи.

1. Введение дефектов

в процессе роста кристаллов

Процесс выращивания совершенных полупроводниковых кристаллов весьма сложен и требует применения высококачественного оборудования, обслуживаемого опытным персоналом. Любое незначительное отклонение от заданного режима ведет к неконтролируемому образованию точечных и протяженных дефектов. Будем считать, что указанные проблемы исключены и дефекты вводятся целенаправленно. Этот процесс называется легированием. При этом преследуются, как правило, две цели: управление электропроводностью кристалла или рекомбинационными процессами в нем.

В первом случае, как отмечалось выше, необходимо ввести дефекты, обладающие мелкими уровнями. Для Ge и Si донорами служат атомы P, As, Sb, Bi, а акцепторами — B, Al, Ga, In, замещающие атом решетки в узле. В материалах А3В5 донорами будут атомы S, Se, Te, замещающие элемент В в узле, а акцепторами — атомы Be, Mg, Zn и Cd, замещающие элемент А в узле. Как уже отмечалось, элементы IV группы Ge, Si, Sn могут играть роль обоих типов примесей. В материалах АIIВVI и АIVВIV электропроводность регулируется собственными дефектами, возникающими при отклонении состава кристалла от стехиометрического (дефицит атомов А или В).

Во втором случае вносятся атомы примеси, имеющие глубокие энергетические уровни. Они играют роль эффективных рекомбинационных центров и снижают время установления равновесия при введении избыточных электронов и дырок. Это бывает необходимо при создании быстродействующих полупроводниковых приборов. Такими дефектами являются примеси тяжелых и благородных металлов: Fe, Ni, Cr, Cu, Ag, Au и др.

Легирование в процессе роста кристалла осуществляется за счет введения в раствор или расплав, из которого формируется образец, необходимого количества атомов примеси. Собственные дефекты (вакансии и междоузельные атомы) в бинарном полупроводнике можно создавать выращивая кристалл при дефиците одной из компонент.

2. Термофлуктуационные дефекты

Если температуру идеального (бездефектного) кристалла повысить от абсолютного нуля до некоторого значения Т > 0, то в нем возникнут собственные дефекты. Этот процесс проще представить с использованием конфигурационной диаграммы (рис. 4). Последняя представляет собой зависимость потенциальной энергии U некоторой области кристалла от обобщенной координаты Q, роль которой, в частности, может играть расстояние между двумя соседними атомами в решетке. Абсолютный минимум на кривой U (Q) при Q = Q0 соответствует положению обоих атомов в узлах решетки, а минимум при Q = Q1 — смещению одного из атомов в ближайшее междоузлие. Таким образом, термофлуктуационное образование дефекта связано со случайной раскачкой тепловых колебаний атомов в некотором микроскопическом участке кристалла до достижения максимума на кривой U (Q).

Разупорядочение кристалла при Т > 0 энергетически выгодно, так как соответствует росту энтропии. Вероятности образования изолированных вакансий, междоузельных атомов, пар Френкеля и т.д. рассчитываются методами термодинамики. В простейшем случае одноатомного полупроводника концентрация изолированных вакансий

где N0 — концентрация атомов в кристалле, ЕА — энергия образования дефекта. Как видно из рис. 4, величина ЕА представляет собой разность энергий EA = U (Q1) — U (Q0) в основном и дефектном состояниях. Значение ЕА для различных полупроводников составляет 1-3 эВ. При комнатной температуре концентрация термофлуктуационных дефектов пренебрежимо мала: для ЕА = 2 эВ, Т = 300 К, N0 = = 1022 см- 3 концентрация вакансий NV = 2 » 10-13 см- 3. Указанное значение находится далеко за пределами обнаружения существующими методами. Концентрация рассматриваемых дефектов становится значительной при температурах вблизи точки плавления кристалла Тпл . Однако при таких температурах, как правило, затруднены экспериментальные исследования. Поэтому для изучения термофлуктуационных дефектов обычно используют метод закалки: выдерживают образец при Т © Тпл и затем резко охлаждают. При этом значительная часть возникших при высокой температуре дефектов оказывается замороженной, то есть сохраняется достаточно долго. В обычных условиях удается реализовать скорости охлаждения образца DT / Dt ~ 104 К/с. При использовании для нагрева поверхности кристалла короткого (10-11-10- 8 с) лазерного импульса величины DT / Dt составляют 109-1010 К/с и более.

Очевидно, что дефекты, сформированные при закалке, являются неравновесными. Повышая температуру кристалла до некоторого значения Т и медленно затем охлаждая его, можно устранить закалочные дефекты. Такая операция независимо от причины возникновения дефектов называется отжигом. Подавляющее большинство дефектов отжигаются в Ge и Si при температурах 600 и 900 К соответственно в течение 30-60 минут.

3. Радиационные дефекты

Радиационными дефектами называют более или менее устойчивые нарушения структуры кристалла, возникающие под действием корпускулярного или электромагнитного излучений.

Как уже отмечалось, первичными нарушениями структуры при любом механизме дефектообразования являются пары Френкеля. Обычно существует энергетический барьер, препятствующий аннигиляции вакансии и междоузельного атома, но он достаточно мал. Однако обе компоненты пары Френкеля или одна из них, как правило, весьма подвижны, и пара расходится. В результате взаимодействия с примесями, другими структурными дефектами формируются устойчивые комплексы, которые и определяют радиационное повреждение кристалла.

В общем случае присутствуют две возможности образования дефекта при воздействии излучения: прямое столкновение быстрой частицы с атомом решетки или более сложный процесс, связанный с возбуждением электронной подсистемы кристалла.

Рассмотрим первый случай. Очевидно, он реализуется для частиц, несущих заметный импульс, то есть для электронов, ионов и нейтронов. Кванты электромагнитного излучения, даже столь энергичные, как g-кванты, непосредственно не смещают атомы из узлов решетки. Однако, передавая свою энергию электронам в ядерном фотоэффекте (до нескольких мегаэлектронвольт), они могут инициировать образование дефекта. При ударном механизме смещение атома происходит столь быстро, что его окружение не успевает перестроиться, причем процесс не идет по пути наименьших энергетических затрат. Это приводит к тому, что энергия Ed , которую необходимо передать атому решетки для его достоверного смещения из узла, в 4-5 раз превышает энергию термофлуктуационного образования дефекта. Обычно Ed составляет 10-20 эВ для различных материалов.

Энергию ER , передаваемую атому решетки, можно рассчитать из законов сохранения импульса и энергии, предполагая удар абсолютно упругим. Значение ER будет максимальным при центральном столкновении, и для нерелятивистских частиц (ионы и нейтроны)

где М1 и М2 — массы налетающей частицы и атома решетки соответственно, Е — энергия частицы, атом решетки считается покоящимся.

Если ER > Ed , то происходит образование дефекта. Энергия, переданная атому решетки, может быть значительной (ER @ Ed), и смещенный атом при своем движении в кристалле выбивает новые атомы из узлов. Те, в свою очередь, также получают достаточную энергию для образования дефектов. Таким образом развивается каскад смещений, и в простейшей модели полное число смещенных атомов

где под ER подразумевается энергия, переданная быстрой частицей первичному атому в каскаде.

Очевидно, знание величины Ed принципиально важно для оценки радиационной стойкости того или иного материала. Определению значений Ed для различных кристаллов посвящено большое число теоретических и экспериментальных исследований. В опытах, как правило, используют моноэнергетические пучки электронов. Выбор в качестве частиц электронов обусловлен как относительной простотой конструкций ускорителей для них, так и тем, что, попадая в кристалл, они не изменяют его химического состава (в отличие от ионов). Появление дефектов регистрируется по изменению каких-либо электрофизических, оптических или иных характеристик полупроводника. Энергию электронов плавно увеличивают до значения Еmin , при котором фиксируется первое изменение указанных параметров. Считается, что это соответствует условию ER = = Ed . Отсюда легко рассчитать величину Ed . Поскольку значения Еmin обычно имеют порядок 1 МэВ и скорость электронов близка к скорости света в вакууме с, то вместо (3) необходимо использовать релятивистское соотношение

где mе — масса покоящегося электрона.

Первые эксперименты по определению величины Еd с помощью описанной методики привели к довольно неожиданному результату: хотя порог возрастания концентрации дефектов вблизи Е = Еmin был достаточно резким, тем не менее структурные нарушения возникали и при Е ! Emin . Впоследствии генерация дефектов в твердых телах была обнаружена для случаев рентгеновского (Е ~ 20 кэВ) и даже ультрафиолетового излучения. Поскольку все такие частицы неспособны непосредственно сместить атом из узла решетки, то соответствующие механизмы образования дефектов называют допороговыми.

При воздействии частиц допороговых энергий первоначальным процессом является возбуждение электронной подсистемы кристалла. При этом происходит изменение формы конфигурационных кривых U (Q), в частности возможно значительное снижение барьера для перехода атома из узла в нерегулярное положение.

Из общих соображений можно сформулировать некоторые условия, необходимые для реализации такого механизма. Во-первых, электронное возбуждение должно быть локализовано в микроскопическом масштабе, то есть вблизи рассматриваемого атома. В полупроводниках это возможно либо на уже существующем дефекте (при возбуждении валентных электронов), либо за счет многократной ионизации глубоких оболочек атома решетки (воздействие быстрых электронов, рентгеновских лучей). Во-вторых, период существования электронного возбуждения tэв должен быть больше времени, необходимого для смещения атома из узла решетки tсм . Последнее имеет порядок периода тепловых колебаний в кристалле (~10-13 с). Наконец необходимо, чтобы энергия, передаваемая атому Еэв , была достаточной для существенного роста вероятности его выхода из узла, то есть Еэв ~ ЕА . Вопросы допорогового дефектообразования обсуждаются в литературе с 1954 года, выдвинуты определенные модели, но разработка теории этих процессов еще далека от завершения. Все предлагаемые схемы можно разделить на два класса в зависимости от состояния микроскопической области, предшествующего образованию дефекта: механизмы с электростатической неустойчивостью и механизмы с электронно-колебательной неустойчивостью.

Электростатические механизмы создания дефектов реализуются, когда энергия взаимодействия заряженных электронных возбуждений с другими зарядами, диполями заметно превышает энергии иных взаимодействий в кристалле. Схему действия такого механизма легко понять на примере ионного кристалла (рис. 5). В результате двукратной ионизации аниона в центре рисунка создается ситуация, когда этот ион оказывается окруженным шестью ионами с зарядами того же знака. За счет кулоновского отталкивания анион смещается из узла решетки и формируется френкелевская пара. В ковалентном кристалле аналогичная ситуация реализуется при многократной ионизации атома решетки, расположенного вблизи положительно заряженного атома примеси (рис. 6). Следует отметить, что для выполнения условия tэв > tсм необходима многократная ионизация глубоких оболочек атома, ибо время существования состояния атома с двумя удаленными валентными электронами крайне мало: ~10-16 с ! tсм . Обсуждаемый механизм можно проиллюстрировать соответствующей конфигурационной диаграммой (рис. 7). При двукратной ионизации атома (процесс 1-2 ) конфигурация описывается кривой III и переход атома в междоузлие в нашем примере происходит без барьера (процесс 2-3 ). Затем при снятии электронного возбуждения (процесс 3-4 ) атомная конфигурация оказывается в дефектном состоянии. Расчет скорости образования дефектов приводит к выражению

где — энергия кулоновского отталкивания донора (q1) и ионизованного атома (q2), Есм — энергетический барьер для перехода в дефектное состояние. При выполнении условия Есм — Еэв # # 0 процесс образования дефекта реализуется без участия термической флуктуации (пример на рис. 7).

При электронно-колебательном механизме генерации дефектов электронное возбуждение трансформируется в сильное колебательное возбуждение микроскопической атомной конфигурации, то есть как бы в локальный сильный нагрев. Такие процессы в полупроводниках происходят при безызлучательной рекомбинации носителей заряда на дефектах с глубокими энергетическими уровнями и в значительной степени аналогичны фотохимическим реакциям в многоатомных молекулах. Пояснить детали электронно-колебательного механизма можно рассмотрев конфигурационную диаграмму для некоторой атомной конфигурации, включающей центр безызлучательной рекомбинации (рис. 8).

Захват электрона из зоны проводимости полупроводника на указанный центр соответствует переходу от кривой I к кривой II (процесс 1-2 ) и перестройке конфигурации в положение с координатой Q2 . Последующий захват дырки (процесс 3-4 ) соответствует потенциалу I, но атомная система оказывается колебательно-возбужденной. Дополнительная энергия для преодоления потенциального барьера Есм и перехода в состояние с координатой Q1 может быть сообщена атомной конфигурации за счет тепловой флуктуации. При Есм — Еэв # 0 процесс идет атермическим путем. Расчет для алмазоподобных полупроводников приводит к соотношению для скорости генерации дефектов

где R — темп рекомбинации неравновесных носителей заряда.

Электронно-колебательный механизм, по-видимому, является определяющим также при возбуждении электронной подсистемы полупроводника и за счет инжекции носителей заряда в (p-n)-переходе. Именно такими причинами многие исследователи объясняют деградацию полупроводниковых лазеров.

4. Дефектообразование в полупроводниках

при импульсном лазерном облучении

Лазерное облучение кристаллов также является радиационным воздействием. В отличие от случая высокоэнергетических частиц (быстрых ионов и электронов, g- и рентгеновских квантов) энергия одного кванта относительно мала (hn © 1-4 эВ). Однако интенсивность излучения может быть весьма высокой (до 109 Вт/см2 и более), поэтому помимо электронного возбуждения, вызываемого световыми импульсами, необходимо учитывать и значительный нагрев поверхности облучаемого полупроводника. Если плотность энергии лазерного импульса W превышает определенный порог Wпл , поверхностный слой образца испытывает фазовый переход плавления.

Основными причинами генерации дефектов при наличии жидкой фазы являются диффузия неконтролируемых примесей с поверхности образца в расплавленный слой, а также нарушение стехиометрического состава этого слоя за счет интенсивного испарения одной из компонент в случае полупроводников сложного состава (А3В5, А2В6).

Существенно более интересными с физической точки зрения являются процессы генерации точечных дефектов при облучении лазерными импульсами допороговых энергий (W Eg , и пусть длительность импульса составляет 10-30 нc. Это типичные условия проведения экспериментов по лазерному облучению полупроводников с использованием твердотельных рубинового (hn = 1,8 эВ) или неодимового (hn = 1,17; 2,34 эВ), а также газового эксимерного (hn = 4,0 эВ и более) оптических квантовых генераторов.

Многочисленные эксперименты, выполненные на Ge, Si, GaAs, GaP и других материалах, свидетельствуют о том, что в условиях допороговых энергий лазерного импульса (W Copyright (c) «Русский переплет»
Покрасочная камера с водяной завесой для автомобилей .

протяженный дефект

дефект, условная протяженность или приведенная протяженность которого превышает значения, установленные для точечного дефекта. (Смотри: ПБ 03-108-96. Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов.)

Источник: «Дом: Строительная терминология», М.: Бук-пресс, 2006.

  • протокол испытаний
  • профилированная древесноволокнистая плита

Смотреть что такое «протяженный дефект» в других словарях:

  • Протяженный дефект — Дефект, условная протяженность или приведенная протяженность которого превышает значения, установленные для точечного дефекта Источник: ПБ 03 108 96: Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов Протяженный дефект… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
  • протяженный дефект — Дефект, условная протяженность или приведенная протяженность которого превышает значения, установленные для точечного дефекта [ПБ 03 108 96] … Справочник технического переводчика
  • РД 08.00-60.30.00-КТН-046-1-05: Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных нефтепроводов — Терминология РД 08.00 60.30.00 КТН 046 1 05: Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных нефтепроводов: 1.4.15 Бригада сварщиков группа аттестованных в установленном порядке сварщиков, назначенных… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
  • Проведение контроля. — 4.5.10 Проведение контроля. 4.5.10.1 Ультразвуковой контроль проводят в соответствии с операционной технологической картой контроля (Приложение Д). 4.5.10.2 Контроль сварных соединений осуществляют путем перемещения (сканирования) ПЭП (см. Рис.… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
  • ГОСТ 24507-80: Контроль неразрушающий. Поковки из черных и цветных металлов. Методы ультразвуковой дефектоскопии — Терминология ГОСТ 24507 80: Контроль неразрушающий. Поковки из черных и цветных металлов. Методы ультразвуковой дефектоскопии оригинал документа: АРД диаграмма Система графиков, связывающих амплитуду эхо сигнала с расстоянием до дефекта и его… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
  • ПБ 03-108-96: Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов — Терминология ПБ 03 108 96: Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов: Блок коммуникаций Сборочная единица, включающая трубопроводы, опоры и опорные конструкции под них, средства защиты от внешних воздействий и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Какой искусственный дефект называется протяженным

Вы используете устаревший браузер. Этот и другие сайты могут отображаться в нём некорректно.
Вам необходимо обновить браузер или попробовать использовать другой.

Ультразвуковой контроль эхо-методом и его основные параметры​

Ультразвуковой контроль (УЗК) — вид неразрушающего контроля, включающий в себя ультразвуковую дефектоскопию (УЗД) и толщинометрию (УЗТ). Основан на прозвучивании объекта контроля (ОК) продольными, поперечными (вертикально-поляризованными и горизонтально-поляризованными), головными, поверхностными либо нормальными волнами (или их сочетанием) с целью обнаружения внутренних дефектов. Ультразвуковой контроль позволяет обнаруживать непровары, несплавления, трещины, поры, шлаковые включения, расслоения и иные подповерхностные дефекты — как одиночные, так и их скопления. УЗК с использованием поверхностных волн в ряде случаев может рассматриваться как альтернатива капиллярному и магнитопорошковому методу для обнаружения выходящих на поверхность несплошностей. Ультразвуковой контроль сварных соединений и основного металла активно практикуется при строительстве, ремонте, реконструкции, эксплуатации, техническом диагностировании (ТД), техническом освидетельствовании (ТО), ревизии и экспертизе промышленной безопасности (ЭПБ) технических устройств (ТУ), зданий и сооружений на опасных производственных объектах (ОПО), подведомственных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзору). В соответствии с Федеральными нормами и правилами по НК (Приказ Ростехнадзора от 01.12.2020 года №478), к проведению ультразвукового контроля допускаются только аттестованные лаборатории и дефектоскописты, например, по правилам СДАНК-01-2020 и СДАНК-02-2020, соответственно, в Единой системе оценки соответствия в области промышленной безопасности, экологической безопасности, безопасности в энергетике и строительстве (ЕС ОС) — либо в иной системе аттестации, аккредитации и/или сертификации. Для ультразвукового контроля используется специальная аппаратура: ультразвуковые дефектоскопы, прямые и наклонные совмещённые, раздельно-совмещённые и раздельные, поворотные пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), контактные жидкости, калибровочные и настроечные образцы, сканирующие устройства, ультразвуковые толщиномеры и др. В зависимости от способа проведения ультразвуковой контроль может быть ручным (РУЗК), механизированным (МУЗК) или автоматизированным (АУЗК). По способу акустического контакта УЗК подразделяется на контактный (толщина слоя контактной жидкости меньше половины длины волны), щелевой (толщина слоя контактной жидкости примерно равна длине волны), иммерсионный (ОК полностью погружён в контактную жидкость, так что толщина слоя составляет 3-4 длины волны и более). По состоянию на июль 2023 года всё активнее внедряются электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП) для бесконтактного ввода акустических колебаний в ОК. Ультразвуковой контроль включает в себя множество методов: эхо-импульсный (эхо-метод), теневой, зеркально-теневой, эхо-зеркальный, дельта-метод, диффракционно-временной и т.д. И это — только если говорить об УЗК металлов. Данный вид НК также успешно применяется также для углепластиков, композитов, полимеров, многослойных конструкций и даже бетонов. Для УЗК полимерных композиционных материалов практикуются свои методы — велосиметрический, реверберационно-сквозной, импедансный и т.п. В данном тексте речь пойдёт о наиболее распространённом варианте — об ультразвуковом контроле основного металла и сварных соединений эхо-импульсным методом с использованием контактных ПЭП.
Задачи ультразвукового контроля
Объекты ультразвукового неразрушающего контроля
Типы ультразвуковых волн
Общий порядок выполнения УЗК сварных соединений
Ультразвуковая толщинометрия
Параметры ультразвукового контроля
Дефектоскописты ультразвукового контроля

Технология ультразвукового контроля (УЗК) эхо-методом построена на простом физическом законе: траектория движения звуковых волн в однородной среде остаётся неизменной. Внутренние (подповерхностные) дефекты являются отражателями УЗ-волн. При помощи дефектоскопа и пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) в материал вводятся упругие колебания с частотой более 20 кГц (чаще всего — от 0,5 до 20 МГц). Они исходят от излучателя (пьезопластины), преломляются в призме (актуально для наклонных ПЭП), входят в объект контроля (ОК), преломляясь ещё раз на границе раздела, и дальше отражаются от дефектов (если таковые имеются) либо донной поверхности (если таковых нет). В случае с прямыми совмещёнными и раздельно-совмещёнными ПЭП ультразвуковой пучок вводится в объект под прямым углом (в действительности случаются небольшие отклонения, в пределах 15 градусов). По амплитуде и времени прихода эхо-сигналов можно судить о размерах и глубине залегания отражателей. Отражателями могут быть донная поверхность, боковые стенки либо, например, неровности валика усиления сварного шва, подкладное кольцо или кромки соединяемых деталей, собранных со смещением. Во всех этих случаях, кроме первого (донный сигнал), эхо-сигналы считаются ложными. Если же акустические сигналы отражаются от несплошностей, то это уже полезные сигналы — их фиксируют и по ним измеряют характеристики дефектов. Те, в свою очередь, сопоставляют с нормами отбраковки, изложенными в нормативной технической документации (НТД) и операционной технологической карте (ОТК). Собственно, сам термин «дефект» означает «каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям» (ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые»), поэтому без руководящих НТД, в которых эти самые требования приведены, представить себе представить никакую дефектоскопию, не только ультразвуковую. Конечно, это очень грубое, упрощённое описание технологии. На деле возникают тысячи нюансов. Среди опытных дефектоскопистов есть даже такое выражение: «Чем больше знаешь УЗК — тем меньше знаешь УЗК».

Для чего проводят ультразвуковой контроль​

  • выявлять внутренние дефекты – поры, расслоения, трещины, непровары, несплавления, шлаковые включения;
  • выявлять поверхностные дефекты (при прозвучивании поверхностными волнами, которые распространяются вдоль свободной границы раздела твёрдого тела и отражаться от выходящих на поверхность несплошностей);
  • измерять условные размеры (протяжённость, ширину, высоту), эквивалентную площадь дефектов;
  • определять местоположение дефектов и глубину их залегания;
  • определять тип дефектов (например, при использовании коэффициента формы, фазированных решёток с B-, D-, C-, S-сканами или TOFD-метода);
  • измерять фактическую толщину стенки и выявлять недопустимые утонения.

Современные технологии механизированного и автоматизированного ультразвукового контроля делают его всё более реальной альтернативой контролю радиографическому. Считается, что УЗК более чувствителен к плоскостным дефектам, хотя это не мешает выявлению и объёмных дефектов, особенно при использовании фазированных решёток, дифракционно-временного метода и других продвинутых технологий. При этом УЗК безвреден для здоровья дефектоскопистов, аппаратура для него дешевле, отсутствует химико-фотографическая обработка плёнок (если сравнивать с плёночной радиографией), времени в среднем уходит меньше, возводить рентгенозащитную камеру не нужно (для работы в цеху, например), оформлять лицензию в Санитарно-эпидемиологической службе либо Ростехнадзоре — тоже не требуется.

  • Помехоустойчивость. Высокий уровень шумов и помехов может наблюдаться при УЗК материалов с крупнозернистой структурой и высоким коэффициентом затухания. Это объясняется слишком интенсивным рассеиванием колебаний. К таким «проблемным» материалам относятся, например, аустенитная сталь, бета-титан (с альфа-титаном другая проблема — сильное влияние анизотропии акустических свойств), чугун (особенно с пластинчатым графитом), сплавы с повышенным содержанием никеля и т.д.
  • Неоднородность акустических свойств. Частный случай — анизотропия, то есть различие свойств в зависимости от кристаллографических направлений. Анизотропия упругих свойств сильно влияет на скорость и затухание ультразвука в материале и может приводить к отклонению пучка от прямолинейного распространения (в том числе — к рефракции). Такая проблема встречается, например, при УЗК стальных труб большого диаметра, когда из-за анизотропии, причиной которой могут стать особенности термомеханической обработки металла, скорость звука неоднородна по толщине стенки и зависит от глубины залегания прозвучиваемого слоя. Один из вариантов защиты от помех и шумов в таком случае — послойный ультразвуковой контроль.
  • Сложность интерпретации сигналов, сильная зависимость от квалификации персонала. Контролируемый объект прозвучивается не тонким лучом, а объёмным пучком, звуковое давление в котором распределено неравномерно и который расширяется с расстоянием. При ультразвуковом контроле сварных соединений, особенно тонкостенных, и центральный луч, и боковые лучи могут «цеплять» тот же валик усиления — что может вводить оператора в заблуждение. Дефектоскопист УК должен иметь достаточно знаний и опыта, чтобы верно интерпретировать сигналы на развёртке и не допускать ни недобраковки, ни перебраковки. Поэтому в лабораториях неразрушающего контроля часто практикуется 100%-ный либо выборочный дубль-контроль. Результаты, получаемые двумя разными дефектоскопистами, считаются сопоставимыми, если разница при оценке эквивалентной площади одной и той же несплошности составляет не более чем 1,4 раза (+/- 3 дБ). Соответствующий «допуск» есть, например, в РД 34.17.302-97 (ОП 501 ЦД-97) «Котлы паровые и водогрейные. Трубопроводы пара и горячей воды, сосуды. Сварные соединения. Контроль качества. Ультразвуковой контроль. Основные положения».
  • Относительно низкая точность при оценке реальных размеров дефектов. Условная протяжённость, как правила, равна фактической протяжённости или, чаще всего, превышает её. С измерениями условной ширины и высоты сложнее — они коррелируют с реальными значениями ещё хуже. Во многом именно поэтому ряд НТД не предусматривают определение условной ширины и высоты (тем не менее, данные результаты могут пригодиться для определения типа дефекта по коэффициенту отношения условной ширины к высоте и для классификации дефектов на развитые и не развитые по высоте). Данная проблема успешнее решена в технологиях ФР и TOFD, о которых написано ниже. Более точному и достоверному определению координат дефектов и измерению величины дефектов посвящено направление дефектометрии.
  • Необходимость зачищать поверхность ввода в зоне перемещения ПЭП. Она должна быть очищена от коррозии, брызг металла, лакокрасочных и иных изоляционных покрытий. Как правило, для проведения ультразвукового контроля требуется шероховатость поверхности не более Ra 6,3 мкм (Rz 40 мкм), волнистость не более 0,015. Некоторые НТД содержат требования к донной поверхности — для неё достаточно шероховатости в пределах Rz 160 мкм и волнистость не более 0,025. Зачистка не входит в обязанности дефектоскописта УК. Для некоторых задач, правда, успешно внедряются ЭМАП, которые позволяют обойтись без этого. Благодаря новым технологиям удаётся уменьшать их габариты и повышать чувствительность, так что электромагнитно-акустические преобразователи, в которых возбуждение и приём ультразвуковых колебаний основаны на явлениях магнитострикции и магнитоупругости, всё чаще используются не только для толщинометрии, но и для дефектоскопии.
  • Необходимость использования контактной жидкости (КЖ). Для обеспечения акустического контакта с объектом контроля используются разные КЖ — моторное масло, глицерин, пропиленгликоль, спирт, вода, солидол, обойный клей, жидкое мыло, медицинский либо специальный дефектоскопический гель. Выбор КЖ определяется положениями НТД. На практике это может создавать массу хлопот. Контактную жидкость нужно всегда иметь при себе и удалять её с поверхности ввода по завершении ультразвукового контроля. Кроме того, у каждой КЖ можно обнаружить свои недостатки. Моторное масло — дешёвое, но очень жирное, пачкает одежду и всё вокруг, оставляет после себя на поверхности ввода плёнку, которую сложно полностью удалить. У глицерина при отрицательной температуре ухудшается смачиваемость, плюс после него тоже остаётся плёнка. Солидол на морозе дубеет, вода замерзает. Гель — обеспечивает хороший акустический контакт, подходит для наклонных и вертикальных поверхностей, легко удаляется с поверхности ввода и со спецодежды. Но — стоит денег. Для УЗТ при повышенных температурах — нужны специальные высокотемпературные гели и смазки, способные выдерживать до +250, а то и до +350 градусов Цельсия.

На каких объектах практикуется ультразвуковой контроль​

  • технологические, промысловые и магистральные трубопроводы газа, нефти, нефтепродуктов, пара и прочих рабочих сред;
  • соединительные детали и узлы газопроводов и нефтепроводов;
  • бурильные трубы;
  • резервуары вертикальные стальные (РВС) и горизонтальные;
  • котлы — водогрейные, пароводогрейные, электрокотлы, котлы-утилизаторы, бойлеры;
  • рельсы, стрелочные переводы, колёсные пары, боковые рамы, литые детали тележек грузовых вагонов;
  • грузоподъёмные краны и крановые пути;
  • всевозможное ёмкостное оборудование — сосуды и аппараты, работающие под давлением пара, газа и жидкостей;
  • оборудование взрывопожароопасных и химически опасных производств, например, изотермические хранилища, фильтры, сепараторы, теплообменники, ректификационные колонны;
  • металлоконструкции ТУ, зданий и сооружений на ОПО;
  • мостовые строения;
  • корпуса насосов и многое-многое другое.

Типы волны, используемых в ультразвуковом контроле​

  • Продольные. Направление колебательного движения частиц совпадает с направлением волны. Чаще всего возбуждаются прямым совмещёнными и раздельно-совмещёнными преобразователями, например, для поиска дефектов (трещин, расслоения, растянутых включений, пор и других) и для измерения толщины стенки. Скорость продольной волны в углеродистых (мягких) сталях в зависимости от конкретного сплава варьируется от 5 900 до 5 940 м/с. Для стали 20, например, «каноничным» значением считается 5 920 м/с. Длина продольной волны в такой стали зависит от частоты — для частоты 2,5 МГц, например, она будет 2,4 мм. Для 5,0 МГц — 1,2 мм. Скорость продольной волны в нержавеющих (аустенитных) сталях — от 5 770 до 6 140 м/с.
  • Поперечные (сдвиговые). Колебательное движение частиц перпендикулярно направлению волны. Распространение поперечных волн может сопровождаться поляризацией — нарушением симметрии распределения смещений и скоростей в упругой волне относительно направления распространения. Поперечные волны подразделяются на вертикально-поляризованные (частицы колеблются в плоскости падения волны) и горизонтально-поляризованные (частицы колеблются перпендикулярно плоскости падения волны и вдоль границы раздела сред). Вертикально-поляризованные волны возбуждаются обычными совмещёнными наклонными преобразователями. Для ультразвукового контроля с горизонтально-поляризованными волнами применяются электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП). Вертикально-поляризованные, горизонтально-поляризованные поперечные волны и продольные волны ещё объединяют термином «объёмные». Скорость поперечной волны в углеродистых сталях составляет от 3 220 до 3 250 м/с, в нержавеющих — от 3 200 до 3 310 м/с. Длина поперечной волны в углеродистой стали зависит от частоты — для частоты 2,5 МГц, например, она будет 1,3 мм. Для 5,0 МГц — 0,6 мм.
  • Головные. К таковым относят целую группу ультразвуковых волн. Во-первых, это продольно-поверхностная (вытекающая, ползущая) волна, которая распространяется вдоль поверхности ввода (на глубине порядка длины волны) и довольно быстро затухает: на расстоянии всего 1,75 * λ (λ — длина волны) уменьшается в 2,7 раза. Во-вторых, к головным волнам относятся боковые волны, возникающие в каждой точке границы раздела сред вследствие падения на неё поперечной волны под третьим критическим углом (для стали он равняется 33,5 градусам). В-третьих, в группе головных волн выделяют продольные подповерхностные волны, максимальная амплитуда которого достигается вдоль луча с углом ввода 78 градусов, и одновременно с ней — обратная продольно-поверхностная волна, с амплитудой примерно в 100 раз меньше. Головные волны активно используются для ультразвукового контроля металлов и наплавок с целью обнаружения приповерхностных дефектов на глубине от 2 до 8 мм (по другим данным — до 15 мм). Ввиду особенностей распространения они отлично подходят, например, для шпилек с наружной резьбой, которая им не мешает. Для возбуждения головных волн используются раздельно-совмещённые наклонные ПЭП. Первым в России специалистом, предложившим использовать головные волны для ультразвуковой дефектоскопии, является Николай Павлович Разыграев, кандидат технических наук и один из ведущих сотрудников Института сварки и неразрушающего контроля АО «НПО «ЦНИИТМАШ».
  • Поверхностные (волны Рэлея). Формируются вдоль свободной либо слабо нагруженной границы твердого тела и представляют собой комбинацию продольной и поперечной волны. Очень быстро затухают с глубиной — обычно зона их локализации не превышает полторы длины волна (1,5 * λ мм). Поверхностные волны, как ещё говорят, «облизывают» поверхность и распространяются как по плоским, так и по изогнутым поверхностям. На вогнутых поверхностях скорость волн Рэлея уменьшается, на выпуклых — наоборот, увеличивается. Поверхностные волны могут применяться для обнаружения выходящих на поверхность несплошностей, в том числе — в качестве альтернативы проведению ПВК и МПК.
  • Нормальные. Формируются в твёрдых пластинах и слоях со свободными или слабонагруженными границами. Как и в случае с поперечными волнами, нормальные волны в пластинах могут быть вертикально-поляризованными (волны Лэмба) и горизонтально-поляризованными. Также выделяют волны в стержнях — волны Похгаммера (крутильные, торсионные). Нормальные волны используются для ультразвукового контроля арматурных прутков, листов, труб, проволок, рельсов и пр.

Для ультразвукового контроля многих объектов одновременно применяются два и более типа волн. Например, для УЗК сварных соединений используются как продольные волны (с прямыми ПЭП, особенно для сварных швов толщиной 60 мм и более со снятым усилением, а также для угловых и тавровых швов), так и поперечные (также для прозвучивания сварных швов наклонными ПЭП). А на особо ответственных изделиях (например, в атомной энергетике) к ним добавляется УЗК с использованием головных волн.

Кроме того, при излучении поперечной волны, например, наклонными, или «призматическими» ПЭП — в призме распространяется продольная плоская волна, но с некоторым расхождением лучей. Так что в объект контроля фактически вводится не только поперечная, но и продольная волна. Чем ближе угол падения к первому критическому (для границы оргстекло-сталь — 27 градусов), тем эта продольная волна интенсивнее. Распространение, отражение, преломление, трансформация ультразвуковых волн — отдельная большая тема, поэтому исследованию акустики уделяют очень большое внимание при подготовке специалистов УК, например, в Петербургском государственном университете путей сообщения Императора Александра I (ПГУПС) или в Томском политехническом университете (ТПУ).

Ручной ультразвуковой контроль сварных соединений эхо-импульсным методом: общий порядок действий​

  1. Осмотр объекта контроля, оценка его контроледоступности и разметка. Сварной шов и околошовная зона должны быть зачищены от краски, ржавчины, окалины, загрязнений. Шероховатость чаще всего должна составлять не более Ra 6,3 мкм (Rz 40 мкм) — проверяют это при помощи аттестованных образцов шероховатости поверхности сравнения (ОШС) либо — реже — профилометра или профилографа. При использовании мерительного пояса — обозначение начала и направление отсчёта координат. Поскольку обычно проведению УЗК предшествует, как минимум, ВИК, то для всех видов неразрушающего контроля точку начала отсчёта координат берут одну и ту же. При его отсутствии мерительного пояса — может выполняться разметка периметра шва, например, при помощи маркера по металлу на участки по 300-500 мм. Если на ОК заложен РК с использованием форматной радиографической плёнки — то НТД и операционная технологическая карта могут требовать размечать стык с учётом размера плёнки.
  2. Определение параметров пьезоэлектрического преобразователя. У прямых ПЭП к таковым относится задержка в протекторе (у РС ПЭП — в призмах), лучевая разрешающая способность, мёртвая зона. У наклонных ПЭП — точка выхода, стрела, задержка в призме, угол ввода, лучевая разрешающая способность, мёртвая зона. Параметры определяют на калибровочных образцах — мерах типа СО-3, СО-2, V1, V2, СО-3Р и др. Какие именно параметры ПЭП нужно проверять — оговаривается в НТД и операционной технологической карте ультразвукового контроля.
  3. Настройка глубиномера. Собственно, определение задержки в призмах (протекторе) у прямых ПЭП и задержки в призме, угла ввода и стрелы у наклонных ПЭП — также относится и к настройке глубиномера. Она также включает в себя выбор шкалы развёртки (например, в мм глубины или в мм пути по лучу), её задержки и длительности (зоны контроля), скорости ультразвука в материале, выставление стробов и пр. От этого зависит точность определения координат дефектов — глубины залегания, расстояния до него по поверхности ввода, а также его условных размеров — протяжённость, ширины, высоты.
  4. Настройка чувствительности. Здесь всё зависит от того, в каком режиме будет проводиться ультразвуковой контроль. Так, для работы в режиме временной регулировки чувствительности (ВРЧ) необходимо на настроечном образце, по опорному отражателю (зарубка, боковое цилиндрическое отверстие, плоскодонное отверстие, сегменте, двугранный угол, бесконечная плоскость — в зависимости от требований НТД) необходимо задать дефектоскопу опорные точки (как минимум, две, но можно и больше), по которым прибор будет «выравнивать» чувствительность для одинаковых отражателей, расположенных на разной глубине. В режиме ВРЧ эхо-сигналы от двух одинаковых отражателей, расположенных на разной глубине, имеют на развёртке одинаковую высоту (и одинаковую амплитуду). В качестве опорных точек часто берётся максимум эхо-сигнала от зарубки при прозвучивании прямым и при прозвучивании отражённым лучом. Полученные таким образом опорные точки образуют так называемую кривую ВРЧ, которая также отображается на развёртке. Для работы в режиме ВРЧ требуются настроечные образцы, соответствующие номинальной толщине объекта контроля, с искусственными отражателями установленного типа и размера. Другой режим — АРД-диаграммы. В отличие от ВРЧ, режим АРД позволяет измерять эквивалентную площадь отражателя, не требует настроечных образцов (при использовании предустановленных АРД-диаграмм, записанных в памяти дефектоскопа для конкретного ПЭП). При этом — режим АРД-диаграмм не годится для работы с РС ПЭП и для объектов с номинальной толщиной стенки меньше 12 мм (в некоторых источниках минимальная толщина и вовсе составляет 20 мм) и малым радиусом кривизны (например, для труб с наружным диаметром 150 мм и меньше). АРД-диаграммы — это кривые, устанавливающие зависимость между амплитудой сигнала эхо-сигнала от плоскодонного дискового отражателя (ПДО), ориентированного перпендикулярно акустической оси ПЭП и отражающего 100% падающей энергии, расстоянием от излучателя до ПДО и его эквивалентной площадью. Под ней подразумевается площадь ПДО, расположенного в образце с теми же акустическими свойствами, что и ОК, перпендикулярно акустической оси ПЭП и на том же расстоянии, что и дефект, и дающего ту же амплитуду эхо-сигнала, что и дефект. Рабочие АРД-диаграммы рассчитываются индивидуально для каждого ПЭП с учётом его рабочей частоты, угла ввода, размера и формы пьезоэлемента. В режиме АРД-диаграмм выравнивания чувствительности не происходит — с режимом ВРЧ они считаются взаимоисключающими. Ещё один вариант проведения ультразвукового контроля называется по-разному, но суть одна. Режим АРК (кривая амплитуда-расстояние) или DAC (дистанционно-амплитудная коррекция), как и ВРЧ, предполагает построение некой кривой, которая показывала бы зависимость между амплитудой эхо-сигнала и расстоянием до отражателя. От ВРЧ режим АРК отличается тем, что никакого «выравнивания» амплитуд, получаемых от одинаковых отражателей на разной глубине, не происходит — то есть влияние затухания ультразвука здесь сохраняется. От АРД-диаграмм же режим АРК отличается тем, что не предполагает измерение эквивалентной площади дефектов и что нуждается в использовании настроечных образцов. Руководящая нормативная техническая документация и операционная технологическая карта должна содержать чёткие указания по выбору режима проведения ультразвукового контроля и по настройке чувствительности. В частности, это касается требований к размерам и эквивалентной площади опорного отражателя, уровней чувствительности, поправок чувствительности (например, с учётом шероховатости и категории объекта). Для УЗК чаще всего настраивают, как минимум, два уровня чувствительности. Во-первых, браковочный — при нём оценивается допустимость дефекта по амплитуде эхо-сигнала (и/или эквивалентной площади). Другими словами, это максимальная эквивалентная площадь или амплитуда сигнала от максимального отражателя (несплошности, дефекта,) допустимого в соответствии с НТД. Дефекты, эхо-сигналы от которых достигают браковочного уровня чувствительности, однозначно считаются браком. Во-вторых, для ультразвукового контроля сварных соединений эхо-методом понадобится контрольный уровень, на котором регистрируют несплошности для последующей оценки по условным размерам, суммарной условной протяжённости на длине оценочного участка, типу, расположению в сечении шва и пр. Также ОТК и НТД могут предусматривать настройку поискового уровня чувствительности (поискового усиления). Потребность в этом связана с тем, что при перемещении ПЭП акустический контакт может быть нестабильным. Плюс акустическая ось ПЭП может не попасть по центру дефекта. Поэтому в процессе сканирования максимальная амплитуда эхо-сигналов может быть не достигнута, и чтобы не пропустить опасные дефекты — чувствительность повышают. Указания по настройке усиления для браковочного, контрольного и поискового уровня зависят от конкретной ОТК и НТД. Часто поисковый уровень ниже контрольного на 6 дБ и ниже браковочного — на 12 дБ. Важно, чтобы определение параметров ПЭП, настройка глубиномера и чувствительности выполнялись при той же температуре, при которой будет проводиться ультразвуковой контроль. НТД и ОТК может предусматривать сохранение сканов развёртки с указанием параметров настроек — например, для последующей инспекции или сверки с результатами дубль-контроля.
  5. Прозвучивание объекта. Прижимая датчик к поверхности, на которую нанесена контактная жидкость, оператор выполняет возвратно-поступательные поперечно-продольные либо продольно-поперечные движения с поворотом датчика на 10-15 градусов (для наклонного ПЭП) или вращением (для прямого ПЭП). В процессе прозвучивания нужно следить за тем, чтобы шаг перемещения пьезоэлектрического преобразователя не превышал 2-3 мм и не осталось пропущенных участков. Важно следить за осцилляциями сигналов на экране дефектоскопа — чтобы не пропустить эхо-сигналы, которые достигают контрольного уровня. В помощь оператору в современных дефектоскопа реализована звуковая и световая АСД. Границы зоны перемещения ПЭП рассчитываются с учётом толщины объекта, угла ввода ультразвука, длины контактной поверхности ПЭП, длины околошовной зоны.
  6. Измерение максимальной амплитуды эхо-сигналов от дефектов (в режимах ВРЧ, АРК) и/или их эквивалентной площади (в режиме АРД), а также измерение условных размеров дефектов. Погрешность определения координат указывается в НТД и ОТК. Часто требуется, чтобы она не превышала +/- 1,0 мм.
  7. Сохранение результатов. Современные дефектоскопы позволяют «замораживать» изображение развёртки для последующего анализа. Места выявленных дефектов также могут сразу обозначать мелом или маркером непосредственно на поверхности ОК.
  8. Периодическая проверка настроек чувствительности. В зависимости от НТД и ОТК, такую проверку нужно проводить каждый час, либо каждые 3 часа, либо после УЗК каждого стыка и т.д. Сканы с настройками также сохраняются в памяти прибора.
  9. Оформление результатов ультразвукового контроля. Обычно дефекты классифицируются на допустимые и недопустимые по амплитуде, протяжённые и непротяжённые, расположенные в корне или в сечении шва. Трещины недопустимы любых размеров, в любом месте. Для остальных дефектов могут быть свои допуски, оговоренные в НТД и ОТК. Формат заключения/протокола/акта по результатам УЗК утверждается в нормативно-технической документации и согласовывается с заказчиком. Запись дефектов осуществляется с использованием условных обозначений, указанием глубины залегания, координат относительно начала отсчёта, амплитуды, протяжённости и пр. Чтобы упростить выборку дефекта и ремонт ОК, рекомендуется указывать начальные и конечные координаты каждого дефекта. В зависимости от того, какие дефекты обнаружены и какими параметрами они обладают, объект контроля относят к категории «годен», «ремонтировать» или «вырезать».

Немного иначе выглядит ультразвуковой контроль с использованием фазированных решёток (ФР), которые заслуживают отдельного большого текста. Имеются в виду особые датчики (кристаллы), на поверхности которых с определённым шагом расположены 16, 32, 64 или 128 элементов. Каждый из них излучает волны с определённой задержкой. Корректируя этот «сдвиг по фазе», можно получить фронт волны с определённым углом. В этом и заключается принцип секторного сканирования. Оператору не нужно водить датчиком по поверхности – он и без этого «видит» все дефекты, расположенные в заданной зоне. По сравнению с одноэлементными ПЭП фазированные решётки могут генерировать пучок волн точно в зоне дефекта. В режиме реального времени на экране многоканального дефектоскопа выстраиваются наглядные А-сканы, на основе которых формируются детализированные, информативные отчёты. Мёртвая зона минимальна или вовсе отсутствует. Производительность ультразвукового контроля с ФР примерно в 3–4 раза выше, чем у ручного УЗК.

Также в отечественном ультразвуковом контроле широко практикуется дифракционно-временной метод (Time of Flight Diffraction, сокращённо – TOFD). Суть технологии – регистрация поперечных и продольных (боковых) волн, дифрагированных на краях несплошностей. Метод предполагает использование двух наклонных датчиков для излучения и приёма волн, расположенные по обе стороны сварного шва. «Натыкаясь» на дефект, волны изменяют своё направление и время прохода. Последний показатель в режиме TOFD считается ключевым. Дифракционно-временной метод эффективно выявляет точечные дефекты, выходящие на поверхность трещины, вогнутость, непровары в корне, расслоения, питтинговую коррозию и пр. Точность измерения условных размеров отражателей (даже высоты) достигает ±1 мм. По своей информативности и достоверности линейное сканирование – полноценная замена радиографическому методу, особенно для дефектоскопии низколегированных и нелегированных углеродистых сталей.

Ультразвуковая толщинометрия​

Её выполняют для измерения толщины стенок объектов, на которых механические измерительные инструменты (штангенциркули, микрометры, механические стенкомеры и другие) применять невозможно либо нецелесообразно. Для ультразвуковой толщинометрии эхо-методом достаточно одностороннего доступа к ОК, при этом поверхности стенки должны быть параллельными и эквидистантными.

Ультразвуковая толщинометрия наряду с ультразвуковой дефектоскопией относятся к ультразвуковому виду неразрушающего контроля, предусмотренному в области аттестации лабораторий и персонала НК по правилам Единой системы оценки соответствия и Системы НК на ОПО РОНКТД. Одним из основных нормативных документов по УЗТ в России является ГОСТ Р ИСО 16809-2015 «Контроль неразрушающий. Контроль ультразвуковой. Измерение толщины».

Для УЗТ применяются прямые совмещённые и раздельно-совмещённые пьезоэлектрические преобразователи — как универсальные (те же, что предназначаются и для дефектоскопии), так и специализированные (например, с линией акустической задержки, миниатюрные, широкодиапазонные и пр.). В июле 2023 года на «Дефектоскопист.ру» вышел материал о работе со специализированными высокотемпературными ПЭП для ультразвуковой толщинометрии производства компании «Константа УЗК». Подробнее о прямых ПЭП для УЗД и УЗТ можно также почитать здесь и здесь.

В ультразвуковой толщинометрии много специфичных нюансов. Так, если для дефектоскопии чаще выбирает способ измерения времени прихода эхо-сигналов по пику (для фиксации максимальной амплитуды сигналов от дефектов), для УЗТ зачастую более предпочтительным является способ измерения по переходу через ноль. На тонкостенных объектах — может подойти вариант по фронту. Для УЗД зачищают поверхность ОК в зонах перемещения ПЭП — для УЗТ же зачастую достаточно подготовить лишь отдельные точки («пятаки») размером не менее двукратного диаметра контактной поверхности датчика. К слову, у преобразователей для толщинометрии она часто сильно меньше, чем у стандартных ПЭП для дефектоскопии. Делается это для более стабильного акустического контакта на изогнутых и вогнутых поверхностях малого диаметра. Ещё одна особенность УЗТ состоит в том, что по её результатам часто оформляют не заключение (с выводами о годности/негодности объекта ультразвукового контроля), а протокол либо акт, в котором просто приводятся данные замеров.

Многие цифровые ультразвуковые толщиномеры отображают результаты измерений лишь в виде простых чисел. В более продвинутых моделях реализованы А- и/или В-сканы. Также в УЗТ гораздо шире, чем в УЗД, применяются ЭМА-преобразователи.

Параметры ультразвукового контроля​

Параметрами УЗК называют те параметры (характеристики) метода и аппаратуры, которые предопределяют достоверность контроля, то есть воспроизводимость и сходимость результатов, соответствие пределам допустимой погрешности и наличие реальных дефектов именно в тех местах, где фиксируются отражённые сигналы от несплошностей.

  • длина волны. Чем она меньше, тем меньше размер дефектов, доступных для обнаружения. Длина волны влияет также на протяжённость мёртвой зоны и ближней зоны (зоны Френеля, в которой амплитуда изменяется непропорционально расстоянию и акустическое поле изменяется немонотонно), в пределах которой, как правило, оценка сигналов не выполняется. Также длина волны связана с рабочей частотой ПЭП: чем больше вторая, тем меньше первая. И наоборот. В свою очередь, частота влияет также на уровень структурных помех — чем она выше, тем больше шумов наблюдается на развёртке, особенно при ультразвуковом контроле крупнозернистых материалов. Также с увеличением частоты сужается диаграмма направленности, что, в свою очередь, приводит к улучшению лучевой и фронтальной разрешающей способности. Это, к слову, тоже важные параметры УЗК: лучевая разрешающая способность — минимальное расстояние между двумя одинаковыми отражателями, расположенными вдоль направления акустической оси ПЭП, при котором они распознаются раздельно. Фронтальная разрешающая способность — кратчайшее расстояние между двумя одинаковыми отражателями, расположенными перпендикулярно направления акустической оси, при котором они также распознаются системой «дефектоскоп-преобразователь» отдельно. Критерием разрешения считается также минимальным интервалом времени между двумя пиками эхо-сигналов, которые одновременно наблюдаются на развёртке и между которыми есть «провал» на уровне -6 дБ и более относительно амплитуды меньшего сигнала;
  • предельная, эквивалентная и реальная чувствительность. Предельная чувствительность — минимальная эквивалентная площадь плоскодонного дискового отражателя, ориентированного перпендикулярно акустической оси ПЭП, которая ещё обнаруживается в объекте контроля на заданной глубине и при определённой настройке ультразвукового дефектоскопа. Эквивалентная чувствительность — минимальный размер искусственного отражателя (не обязательно ПДО — это может быть БЦО или зарубка, например) определённой формы и ориентации, которая ещё обнаруживается в ОК на заданной глубине и при определённой настройке УЗ-дефектоскопа. Что касается реальной чувствительности, то под ней подразумеваются минимальные размеры реальных несплошностей того или иного типа, которые выявляются на заданной глубине при определённых настройках и схеме прозвучивания. Представления о реальной чувствительности формируются вследствие статистической обработки и металлографических исследований большого количества результатов ультразвукового контроля;
  • угол ввода. Рекомендовано проверять по БЦО, например, в СО-2, V1, V2 или СО-3Р. Углом ввода называют угол между линией, соединяющей точку выхода ПЭП и центр бокового цилиндрического отверстия, и нормалью к поверхности, на которой установлен ПЭП в таком положении, при котором амплитуда эхо-сигнала максимальная. В ГОСТ Р ИСО 5577-2009 «Контроль неразрушающий. Ультразвуковой контроль. Словарь» разграничиваются понятия «угол падения» (угол призмы), «угол преломления» (угол между акустической осью преломлённого пучка и нормалью к границе раздела сред) и «номинальный угол ввод» (номинальное значение угла ввода для заданного материала и температуры);
  • погрешность измерения координат отражателей. Как мы отметили выше, предельно допустимая погрешность прописывается в руководящей нормативной технической документации на ультразвуковой контроль. Часто она составляет +/- 1,0 мм, но встречаются НТД, где вместо абсолютных значений даны формулы — поэтому допустимая погрешность рассчитывается в зависимости от толщины стенки, например;
  • мёртвая зона. Имеется в виду область вблизи поверхности ввода со стороны установки ПЭП, в пределах которой не представляется возможным выявление дефектов заданного размера при заданной настройке дефектоскопа. Мёртвую зону можно проверить по мере СО-2 после настройки чувствительности и выставления поискового усиления (если таковое предусмотрено), правда, не все НТД этого требуют. У совмещённых прямых ПЭП мёртвая зона достигает 5-10 мм, у РС ПЭП — от 0,5 до 1,0 мм, у наклонных хорошим показателем считается мёртвая зона в пределах 2,5 длин волны (2,5 * λ мм);
  • минимальный условный размер фиксируемой несплошности. Условные размеры (протяжённость, ширина, высота) определяются двумя основными способами. Первый — относительный: границы несплошности определяются по положениям ПЭП, при котором амплитуда отражённого сигнала уменьшается на заданную величину (например, на 6 дБ) . Второй способ определения условных границ дефектов — абсолютный: им соответствует такое положение ПЭП, при котором эхо-сигнал снижается до заданного уровня чувствительности (чаще всего — контрольного уровня, или уровня фиксации). При проведении ультразвукового контроля сварных соединений и определении условных границ ПЭП исходят из того, что центральный луч соответствует середине ширины ПЭП, хотя в действительности может иметь место угловое отклонение и параллельно смещение луча относительно оси корпуса преобразователя;
  • стабильность акустическая контакта. Меры по её поддержанию могут зависеть от конкретного типа ПЭП. Так, при ультразвуковом контроле объектов цилиндрической формы с РС ПЭП его стараются ориентировать таким образом, чтобы акустический экран между пьезоэлементами располагался перпендикулярно образующей ОК.
  • рабочая частота ПЭП;
  • условная чувствительность. Имеется в виду разность между показаниями аттенюатора при заданной настройке дефектоскопа и показанием, при котором сигнал от БЦО диаметром 6 мм на глубине 44 мм в мере СО-2 фиксируется на развёртке.
  • Некоторые НТД, например, в железнодорожной отрасли, сохранили такой подход к настройке чувствительности, как простое и универсальное решение для самых разных дефектоскопов;
  • угол призмы (угол падения, о котором мы упомянули выше). Добавим также, что фактическое положение точки выхода и стрела ПЭП — тоже важные параметры, поскольку от этого, например, зависит полнота прозвучивания сварного шва и, в частности, возможность прозвучивания корня прямым лучом при ультразвуковом контроле сварных соединений;
  • погрешность глубиномера дефектоскопа (см. выше);
  • длительность зондирующего импульса. В ультразвуковом дефектоскопе, например, можно корректировать частоту посылок зондирующих импульсов. Для многих задач достаточно частоты посылок 400 Гц, хотя ОТК может предусматривать иные значения, чаще всего до 1000 Гц;
  • размер и форма пьезоэлемента преобразователя. Чем больше площадь пьезоэлемента, тем «острее» диаграмма направленности (меньше её ширина) в дальней зоне (зоне Фраунгофера), тем больше ближняя зона и тем выше фронтальная разрешающая способность. При этом большая пьезопластина означает и большую контактную поверхность датчика — а значит, на криволинейных поверхностях могут возникнуть трудности с акустическим контактом, например, при ультразвуковом контроле труб малого диаметра. Принято считать, что ПЭП с прямоугольной пьезопластиной лучше подходят для поиска несплошностей, а с круглой — для более точного определения их условных границ. Сюжет на эту тему доступен на YouTube-канале «Дефектоскопист.ру»;
  • параметры сканирования. Опять же, об этом мы говорили выше — имеется в виду выбор траектории перемещения ПЭП (поперечно-продольная либо продольно-поперечная), шаг сканирования, частота следования ЗИ;
  • зазор между контактной («рабочей») поверхностью ПЭП и наличие в нём контактной жидкости. КЖ должна обладать хорошей смачиваемостью. От качества и количества КЖ зависит количество акустической энергии, которая проходит через неё — а значит, зависят и амплитуды эхо-сигналов на развёртке. Как мы отметили выше, выбор контактных жидкостей довольно большой — главное, чтобы при настройке и непосредственно при проведении УЗК использовалась одна и та же КЖ.

Обучение и аттестация специалистов по ультразвуковому методу контроля​

  • физические основы – теория колебаний, типы упругих волн, критические углы, отражение, преломление, трансформация, дифракция, интерференция, закон Снеллиуса, акустические свойства сред, акустическое поле ПЭП, анизотропия и прочее;
  • аппаратура для УЗК, её основные параметры, подбор под конкретные задачи, метрологическое обеспечение, техническое обслуживание, порядок настройки и технология контроля;
  • методы ультразвукового контроля;
  • определение параметров прямых и наклонных совмещённых и раздельно-совмещённых ПЭП, проверка их работоспособности, подбор ПЭП по конкретным требованиям НТД и ОТК;
  • сканирование, позиционирование ПЭП, траектории его перемещения для обеспечения полноты прозвучивания ОК, усилие прижима датчика, измерение условных размеров несплошностей;
  • оценка результатов ультразвукового контроля по нормам отбраковки, оформление результатов по типовым формам, предусмотренным НТД;
  • составление технологических карт и др.

Часто в учебном центре можно запросить обучение ультразвуковому контролю конкретных объектов, по конкретным нормативным техническим документам, с конкретной аппаратурой. Возможность такой специализации и корректировки учебной программы повышает эффективность профессиональной подготовки дефектоскопистов и более полно отвечает требованиям работодателей.

Дополнительное обучение и сертификация по ISO 9712 необходимы для работы с фазированными решётками и методом TOFD.

Разумеется, в каждом учебном центре есть своя библиотека методической и образовательной литературы. Дополнительно к этому можно почитать «классику» учебников по УЗК – труды И.Н. Ермолова, В.Г. Щербинского, В.В. Клюева, Н.П. Разыграева, А.Х. Вопилкина и др.

Для тех, кто открыт для новых знаний и обмена опытом, на форуме «Дефектоскопист.ру» предусмотрен свой раздел. Начать рекомендуем с веток «Изучение УЗ-контроля» и «Обучение УЗК».

Если вы присоединитесь к сообществу «Дефектоскопист.ру» – надеемся, это поможет вам стать настоящим профессионалом ультразвукового контроля!

Организация службы медицины катастроф

Служба медицины катастроф — это специализированная организация, занимающаяся оказанием медицинской помощи при крупных чрезвычайных ситуациях, таких как природные бедствия, теракты, авиакатастрофы и другие массовые происшествия. Она включает в себя команды врачей, медсестер, парамедиков и других медицинских специалистов, обученных и готовых к быстрому реагированию в сложных условиях.

Организация службы медицины катастроф включает в себя такие аспекты, как планирование, обучение персонала, обеспечение специализированным медицинским оборудованием и медикаментами, координацию с другими службами чрезвычайных ситуаций, а также оказание помощи пострадавшим на месте происшествия и их эвакуацию в медицинские учреждения.

Важные аспекты работы службы медицины катастроф включают в себя тактическое планирование, медицинскую триаж, оказание первой помощи, обеспечение коммуникаций и скоординированную работу с другими службами чрезвычайных ситуаций. Она играет важную роль в минимизации потерь жизней и обеспечении медицинской помощи пострадавшим в критических ситуациях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *