книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

где	- плотность вероятности распределения наклонов неровностей

профиля трещин; 1Н- интервал корреляции наклонов неровностей профиля; а - угол ввода ультразвука.

В зависимости от конструкции соединения и технологии

сварки W { s i/ll) будет меняться. Например, если для шва харак­

терны горячие трещины, то при		а = 65° АГфт =-19,5 дБ, а если
холодные, то	= -9 ,7 дБ. Во	втором случае можно применять

для контроля один ПЭП, соответственно увеличив уровень кон­ трольной чувствительности. Без учета коэффициента затухания ультразвука, если для шва характерны горячие трещины, то

£ф т=-33,4 дБ при а = 5Г и £ ^ = 19,5 дБ при а = 65°, а если

холодные, то соответственно - 14,1 и - 9,7 дБ. Эти же меры для первого случая не дадут эффекта, поскольку резко снизится по­ мехоустойчивость контроля. Здесь необходимо применять эхо­ зеркальный метод или дельта-метод. Справедливость такого под­ хода и числовых значений подтверждена на практике при кон­ троле некоторых сосудов энергомашиностроения.

Сдаточный У3-контроль должен проводиться только после термообработки, если она предусмотрена технологией, а в биме­ таллических конструкциях и после восстановления плакировки (наплавки). Термообработка уменьшает затухание звука в шве и околошовной зоне и способствует раскрытию трещин. Статистика показывает, что после термообработки выявляется трещин на 25...30 % больше по сравнению с контролем до термообработки.

Последний может проводиться лишь факультативно, и его результаты надо использовать весьма осторожно. Дело в том, что ремонт дефектных участков, обнаруженных до термообработки, вызывает их сильный нагрев, а это приводит к раскрытию ранее сжатых и поэтому невыявленных дефектов в примыкающих к дефектной зоне шва.

Для проверки соблюдения этих требований специалисты по дефектоскопии должны участвовать в экспертизе чертежной до­ кументации уже на первых стадиях проектирования.

Все операции по УЗ-контролю можно разбить на пять этапов:

1)изучение объекта контроля, подготовка его к работе;

2)определение или, выбор из имеющегося банка технологи­ ческого процесса (карты контроля) с указанием основных пара­ метров контроля и схемы прозвучивания;

3)проверка исправности и основных параметров аппаратуры

иподготовка ее к работе;

4)проведение контроля, измерение координат и величины дефектов и оценка качества шва;

5)документальное оформление результатов контроля. Изучение объекта контроля складывается из ознакомления с

конструкцией соединения и технологией сварки, а также с доку­ ментами, отражающими отступление от требования чертежей; внешнего осмотра шва с измерением его ширины, или катета, и околошовной зоны и выбора схемы прозвучивания.

Если контролируемый шов имеет какие-либо наружные де­ фекты, конструктивные отклонения или особенности, не огово­ ренные в чертежах, то необходимо оценить, насколько они ме­ шают проведению контроля и могут исказить его результаты. Дефекты должны быть устранены до контроля.

Если указанные отклонения не позволяют провести досто­ верный контроль, то его следует отменить до устранения ме­ шающих причин или проводить лишь факультативно, что фикси­ руют в соответствующем документе.

В содержащихся в отраслевых руководящих документах (РД) требованиях под термином объем контроля понимают протяжен­ ность сварных соединений или площадь наплавок.

Другой критерий - объем сканирования каждого отдельного сварного соединения. Его определяют как суммарную протяжен­ ность контролируемой части соединения вдоль его периметра, отнесенную к полной протяженности сварного соединения.

Поверхности сварных соединений в зоне перемещения ПЭП с обеих сторон сварного шва должны быть очищены от пыли, гря­ зи, окалины. С них должны быть удалены забоины и неровности.

Ширина подготовленной под контроль зоны с каждой сторо­ ны шва должна быть не менее tftga+ А + В - при контроле со­ вмещенными ПЭП прямым лучом и не менее 2tftga+ А +В -

при контроле однажды отраженным лучом и по схеме «тандем», где Н - толщина сварного соединения, А - длина ПЭП, В - шири­

на оцениваемой околошовной зоны.

Переход на новую технологию сварки (например, двусто­ ронняя вместо односторонней или с щелевой разделкой вместо широкой) требует обязательной корректировки производствен­ ной инструкции на основе экспериментальных исследований, выполненных на нескольких образцах-свидетелях с последую­

щей разрезкой их. Цель этих исследований - разобраться в осо­ бенностях прозвучивания швов, оценить уровень ложных сиг­ налов от границы наплавленного металла, характер структурной реверберации, коэффициент затухания звука и т.п. Технологи­ ческий процесс, или карта контроля, составляется инженернотехническим персоналом на основе априорных статистических данных по дефектности или выполненных исследований, требо­ ваний ГОСТ 14782 - 86 и отраслевой нормативной документа­ ции. Он должен содержать всю необходимую информацию для оператора.

Основным рабочим документом, на основании которого не­ посредственно производится неразрушающий контроль, является технологическая карта. Для составления карт по конкретному виду контроля необходимо знание как параметров контролируе­ мого изделия, так и технологии, оборудования и нормативно­ технической (НТД) и технологической документации, на основа­ нии которой должен проводиться контроль. При этом, ввиду сложности и громоздкости расчетов и необходимости учета большого числа факторов и требований НТД, возможны допуще­ ния как объективных, так и субъективных ошибок.

В ГНЦ НПО ЦНИИТМАШ В.Г. Стасеевым и Л.В. Басацкой разработан пакет программ, позволяющий составлять технологи­ ческие карты по ультразвуковому, радиографическому и магни­ топорошковому видам неразрушающего контроля. Программа пакета написана на языках ФОКС ПРО 6.0, Фортран 5.0, С** 6.0. Пакет содержит накапливаемые базы данных пользователя по контролируемым объектам, приборам и оборудованию для кон­ троля, используемым НТД, программы расчета параметров кон­ троля. Выходной документ - бланк технологической карты, на котором указаны данные по контролируемому объекту, аппара­ тура и параметры контроля, схема контроля и масштабированное изображение контролируемого узла.

Пакет построен по модульному принципу, диалог с операто­ ром - через систему световых меню, ввод и корректировка ин­ формации с удобной системой подсказок и контроля.

Использование пакета позволяет исключить ошибки и отсту­ пления от требования НТД, а также значительно сократить время составления технологических карт.

Зачистка околошовной зоны должна быть включена в техно­ логический процесс изготовления изделия и не входит в обязан­ ности оператора-дефектоскописта.

Качество обработки поверхности должно соответствовать ка­ честву поверхности контрольного образца, но не ниже 4-го клас­ са по ГОСТ 2789 - 73 с изм., получаемого при механической об­ работке. В целях меньшего износа ПЭП желательно грубые за­ усенцы снять абразивной бумагой.

Многие полагают, что качество поверхности образца и изде­ лия может быть достаточно оценено органолептическим методом (т.е. визуально и на ощупь).

Наши исследования показали, что это не так. В специально изготовленной выборке из 16 образцов, имеющих различную по­ верхность, группа из 25 экспертов (из них имели 3-й уровень 8 чел., а 2-й - 7 чел.) независимо друг от друга органолептическим методом отбирала «пары» образцов с одинаковой обработкой. Предполагалось, что пара имитирует образец для настройки и изделие.

Качество обработки поверхности соответствовало обычной зачистке абразивным камнем штатных изделий, что было под­ тверждено представителями электростанций и заводов. Диапазон шероховатости поверхности образцов составлял R& 0,4...2,5; R: 16... 120 мкм (2...8 классы).

Образцы 20 и 31 и 18 и 19 попарно имели одинаковые пара­ метры. После отбора все участки были прозвучены прямым ПЭП ф. «Крауткремер» MB2F. По каждой отобранной экспер­ том паре образцов оценивался модуль разницы амплитуд дон­ ных сигналов | АА | .

В результате получено, что у группы из 5 экспертов (4 имеют 3-й и один 2-й уровень), систематически работающих в качестве операторов-контролеров, среднее значение | АА | ср. - 5,3 дБ,

среднеквадратичное отклонение а(ДА) = 4,53 дБ.

У другой группы экспертов, которые работают в качестве операторов сравнительно редко (два имеют 3-й, а три 2-й уро­ вень), | АА | = 8,44 дБ, а <т(Д4) = 7,56 дБ.

Эти данные показывают, что даже систематически работаю­ щие высококвалифицированные специалисты при сравнении ка­ чества поверхности изделия и образца органолептическим мето­ дом делают большие ошибки, которые, по-видимому, связаны с невозможностью оценить неровности с большим периодом (вол­ нистость), и которые, в основном, и определяют толщину и соот­ ветственно акустическую прозрачность контактного слоя.

Для исключения ошибок в настройке чувствительности не­ обходимо использовать инструментальный метод оценки не­ ровностей на базе измерения, близкой к диаметру ультразвуко­ вого пучка. В частности, датчики типа ДШВ ЦНИИТМАШ. Это подтверждается следующим. Из наиболее часто встречающихся б 1 сочетания образцов отобрано двадцать пар. Средний разброс | АА | =5,75 дБ.

Оценив шероховатость датчиком ДШВ и по номограмме вве­ дя корректировку, получили модуль разброса |ДЛ|| =1,55 дБ. Если учитывать знаки, то АА2 = 0,039 дБ. То есть применение

датчика ДШВ резко уменьшает ошибку при различии качества поверхности образца и изделия.

Непосредственно перед контролем подготовленную поверх­ ность тщательно протирают ветошью и покрывают слоем кон­ тактной смазки. При повышенных температурах, большой кри­ визне поверхности или контроле в потолочном положении следу­ ет использовать смазку более густой консистенции. Очень хоро­ шие эксплуатационные качества имеют ингибиторные легкосмывающие смазки на водяной основе ф. «Сонатест», «Крауткремер» или разработанная Таганрогским заводом «Красный котельщик» (см. п. 4.2.4).

Перед тем как приступить к контролю, оператор должен про­ верить работоспособность и параметры аппаратуры (дефектоско­ па и ПЭП). Проверка выполняется на СО № 1-3 в соответствии с ГОСТ 14782 - 86 и требованиями действующих на предприятии правил по метрологической аттестации и поверке.

Поиск дефектов производится путем продольно-поперечного или поперечно-продольного сканирования (перемещения) ПЭП по всей контролируемой зоне сначала с одной, а затем с другой стороны. В соединениях толщиной более 60...80 мм необходимо контролировать две поверхности, если они доступны. Шаг скани­ рования ПЭП должен быть не более половины диаметра пьезо­ элемента.

Автором на представительной выборке сварных швов тепло­ механического оборудования и трубопроводов с помощью специ­ ально разработанного устройства с лимбом, в который вставляет­ ся ПЭП, была исследована выявляемость дефектов при озвучива­ нии под различными углами относительно нормали к оси шва (азимут 0). Установлено, что плотность вероятности распределе­ ния дефектов по азимуту 0 соответствует нормальному со сред-

неквадратичным отклонением 4,93°. В.Т. Власовым были под­ тверждены эти результаты применительно к сварным швам ре­ зервуаров (нефтехранилищ) с различной толщиной стенки.

Отсюда следует, что проведение прозвучивания швов стан­ дартными ПЭП при ориентации строго нормально к оси шва по­ зволит обнаружить только 17...46 % всех дефектов.

Поэтому в процессе сканирования наклонный ПЭП необхо­ димо непрерывно проворачивать вокруг его вертикальной оси на

± 15°, чтобы обнаружить различно ориентированные дефекты (рис. 7.1).

Для повышения азимутальной выявляемости дефектов в слу­ чае сканирования при вынужденной ориентации ПЭП ортого­ нально шву (например в системах автоматизированного контро­ ля) целесообразно использовать веерные ПЭП.

Веерные ПЭП могут быть рекомендованы и для повышения достоверности ручного контроля, при котором обнаружение де­ фектов производится веерным ПЭП, а дефектометрия стандарт­ ным ПЭП регламентированным РД.

Для компенсации флуктуаций акустического контакта чувст­ вительность дефектоскопа в режиме поиска должна увеличивать­ ся не менее чем на 6 дБ по отношению к контрольной чувстви­ тельности. Чтобы уменьшить вероятность пропуска дефекта, це­ лесообразно работать при включенном звуковом индикаторе схе­ мы АСД.

Поскольку PC-преобразователи характеризуются несиммет­ ричностью ультразвукового пучка, их также рекомендуется про­ ворачивать вокруг оси. Акустический контакт надо обеспечивать легким нажатием руки на ПЭП (10... 15 Н).

Всварных соединениях УЗ-контролю подлежит металл шва, зоны сплавления и термического влияния.

При появлении эхо-сигналов на рабочем участке развертки чувствительность снижается до уровня предельной чувствитель­ ности, установленной при эталонировании, и если обнаруженный эхо-сигнал превышает этот уровень, то измеряются характери­ стики несплошности и, если необходимо, тип отражателя — пло­ скостной он или объемный. Все эти характеристики определяют­ ся при контрольной чувствительности дефектоскопа. В швах с толщиной стенки менее 15 мм условная высота обычно не опре­ деляется.

Вбольшинстве действующих в РФ отраслевых РД для оценки качества используются критерии, изложенные в ГОСТ 14782 - 86; амплитуда эхо-сигнала или эквивалентный размер (площадь или диаметр); условная протяженность; условная высота; удельная плотность дефектов на единицу длины контролируемого участка.

Следует заметить, что за рубежом идут активные дискуссии о целесообразности измерения эквивалентной площади из-за малой информативности этого критерия. Однако в качестве экспери­ ментальной базы, послужившей основой для таких сомнений, явились измерения, как правило, дефектов, размеры которых со­ измеримы или даже намного превышали диаметр пьезопластины. По нашему мнению, эти результаты нельзя переносить на не­ большие дефекты, которые, в то же время, являются недопусти­ мыми по существующим в РФ нормам оценки качества. Поэтому отменять критерий - эквивалентный размер дефекта в настоящее время, на наш взгляд, нецелесообразно.

Воколошовной зоне возможны расслоения металла, затруд­ няющие определение координат дефекта. Зону шва, в которой обнаружен дефект наклонным ПЭП, следует дополнительно про­ контролировать прямым ПЭП - для уточнения характера и раз­ меров дефекта и определения его глубины.

Степень допустимости обнаруженного при УЗ-контроле де­ фекта должна быть адекватна его потенциальной опасности для эксплуатирующегося оборудования. Основные показатели опас­ ности дефекта характеризуются его размерами и типом.

Оценка степени допустимости обнаруженной несплошности

иперевод ее в разряд дефекта производятся по степени соответ­ ствия измеренных характеристик и их совокупности предельно допустимым численным значениям этих же характеристик, зало­ женным в НТД.

В качестве примера ниже приведены нормы оценки качества сварных соединений, регламентируемые РД 2730.940.103 - 92 применительно к тепломеханическому оборудованию и трубо­ проводам тепловых электростанций. По этим нормам качество сварного соединения (с размерным показателем свыше 5 мм) по результатам ультразвукового контроля считается удовлетвори­ тельным при одновременном соблюдении следующих условий:

•выявленные несплошности не являются протяженными (условная протяженность несплошности не должна пре­ вышать условную протяженность соответствующего эта­ лонного отражателя);

•выявленные несплошности являются одиночными (рас­ стояние по поверхности сканирования между двумя сосед­ ними несплошностями должно быть не менее условной протяженности несплошности с большим значением этого показателя);

•эквивалентные площади и количество выявленных одиноч­ ных несплошностей не должно превышать норм табл. 7.1;

•поперечные трещины отсутствуют (только для сварных со­

единений, подлежащих контролю на поперечные трещины). Нормы, действующие в нефтехимической промышленности, судостроении, нефте- и газопроводном транспорте, близки к тре­

бованиям, изложенным в табл. 7.1.

Таблица 7. 1

Нормы допустимости одиночных несплош ностей при ультразвуковом контроле сварных соединений с размерным показателем свыше 5 мм

	Размерный				Эквивалентная площадь оди­		Максимально допус­
	показатель				ночных несплошностей, мм2		тимое количество
							фиксируемых оди-
					фиксируемая	максимально	ночных несплошно-
					(минималь­	допустимая	стей на любых 100 мм
					ная)		протяженности свар­
							ного соединения, шт.
От 5,5 до 10 включ.					3,5	7	7
Св	10	«	20	«	3,5	7	8
«	20	«	40	«	3,5	7	9
«	20	«	60	«	5,0	10	10
«	60	«	80	«	7,5	15	11
«	80	«	100	«	10,0	20	11
	Св. 100				10,0	20	12

В атомной энергетике оборудование и трубопроводы подраз­ деляются на несколько групп в зависимости от степени влияния системы, составной частью которой они являются, на безопас­ ность атомной энергетической установки. Соответственно введе­ ны три категории сварных соединений. Нормы оценки качества сварных соединений третьей категории совпадают с требования­ ми, изложенными в табл. 7.1. Для первой и второй категории нормы оценки качества существенно более жесткие.

С появлением достоверных способов оценки типа дефектов стало возможным создание принципиально нового дифференци­ рованного алгоритма браковки сварных швов. Анализ показал, что действующие в технических условиях для большинства свар­ ных конструкций нормативные размеры допускаемых объемных дефектов, выявленных радиационным и ультразвуковым метода­ ми, различны. Это позволило ЦНИИТМАШу ввести два брако­ вочных уровня - первый и второй, отличающиеся на 6 дБ, т.е. на величину, на которую имеется несоответствие в нормах. Алго­ ритм оценки приведен в табл. 7.2. При превышении эквивалент­ ной площадью значений первого браковочного уровня 5бр) про­

изводят определение типа дефекта, например, путем измерения АГф. При ЛТф> 1 оценку допустимости по эквивалентным разме­

рам производят по второму, более грубому браковочному уровню ^бр2 = 256р, . Если АГф < 1, шов бракуется.

Таблица 7.2

Алгоритм оценки дефекта при контроле в процессе изготовления и монтажа оборудования

Измерительная ситуация		Оценка дефекта
эквивалентная	коэффициент	по новой техно­	по старой тех­
площадь	формы	логии	нологии
^бр2 > &А> ^бр1		Допустимый	Недопустимый
	КФ<1	Недопустимый	«
> *^бр2	П ри любом ЛТф	«	«

По предложенному алгоритму плоскостные дефекты отбра­ ковываются уже при .S6pi, а объемные только при 5бр2 = 25бр1.

Такие условия отбраковки соответствуют и нормам оценки дефектов при контроле просвечиванием, где не допускаются трещины любых размеров, а из объемных дефектов забраковы-

ваются только те, размеры и число которых превышают установ­ ленные нормативы (см. табл. 7.2). При контроле по старой техно­ логии бракуется часть объемных дефектов, эхо-сигнал от кото­ рых еще не достиг оптимального браковочного уровня, т.е. имеет место перебраковка.

Применение этого алгоритма для оценки качества с учетом имеющейся статистики дефектности позволяет уменьшить число напрасно забракованных швов и соответственно объем ремонт­ ных работ.

При эксплуатационном контроле одна из основных задач - наблюдение за усталостным развитием объемных дефектов, раз­ мер которых допустим по действующим нормам. Оценка скоро­ сти развития дефектов на основе такого наблюдения, и в частно­ сти измерения Кф, позволяет обоснованно назначать периодич­

ность и объемы контрольных проверок. Действующая же перио­ дичность ультразвукового контроля установлена исходя из не­ возможности распознавания характера дефектов и предусматри­ вает, по нашему мнению, неоправданно частые контрольные про­ верки.

В условиях периодических измерений Кф благодаря незави­

симости от уровня чувствительности становится надежным инст­ рументом для фиксации начала растрескивания в зоне объемного дефекта и развития образовавшейся трещины. Измерение ампли­ туды эхо-сигнала и условной высоты не эффективны, поскольку их значения в сильной степени зависят от параметров контроля, чистоты поверхности и квалификации оператора, что не обеспе­ чивает требуемую достоверность оценки.

Разработанный алгоритм оценки качества одобрен Госгор­ технадзором, включен в межотраслевые стандарты и применяется как обязательный для контроля при изготовлении, монтаже и эксплуатации оборудования и трубопроводов тепловых электро­ станций.

Схема прозвучивания является основой любой методики кон­ троля. Применимость схемы прозвучивания определяется сле­ дующими независимыми переменными:

•величиной прозвученной площади поперечного сечения сварного соединения (полнота прозвучивания);

•вероятностью обнаружения наиболее потенциально опас­ ных плоскостных дефектов (трещин, непроваров);