книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

Поэтому выбору оптимальных параметров контроля и норм браковки должно предшествовать экспериментальное исследова­ ние уровня эхо-сигналов (шумов) из зоны наплавки и коэффици­ ента затухания в ней при качественном соединении.

На рис. 7.75 приведены полученные Е.Ф. Кретовым и Н.П. Разыграевым на сосудах АЭС результаты измерения уровня акустических шумов из зоны сплавления антикоррозионной на­ плавки с основным металлом на частотах 2,0 и 4,0 МГц (ПЭП ф. «Краугкремер» B2SN и B4SN) [48, 49].

А, дБ

10	100 200 /, мм
	а

Рнс. 7.75. У ровень шумов н предельная чувствительность при контроле покрытий:

а и б - соответственно АРД-диаграммы ПЭП типа B2SN (частота 2,0 МГц) и B4SN (4,0 МГц): шум; - х - предельная чувствительность; У- 0 1 мм; 2 - 0 1,5 мм;3 - 0 2 мм; 4 - 0 3 мм;5 - 0 4 мм; 6 - со

Усредненные значения уровня акустического шума на изде­ лиях с разной толщиной основного металла выражены через диа­ метр плоскодонного отверстия (эквивалентный диаметр) и ото­ бражены на АРД-диаграммах соответствующих ПЭП. Материал подложки сталь 10ГН2МФА толщиной 100...400 мм (сосуды АЭС) наплавка многослойная лентой марками 07Х25Н13 (первый слой) и 08Х19Н10Г2Б (последующие слои). Как видно из графи­ ков, несмотря на то, что граница сплавления акустически мягкая, эхо-сигналы шума довольно значительны по амплитуде, что обу­ славливает помехи контроля.

Автором [90] проведено исследование затухания в наплавке при различных параметрах прозвучивания на стальных образцах толщиной 120...130 мм с тремя видами многослойных аустенит­ ных наплавок: образец 1 - проволочным электродом; 2 —ленточ­ ным электродом; 3 - электродом на браму с последующей про­ каткой. Химический состав наплавочного материала первого слоя 07Х25Н13, последующих -08Х19Н10Г2Б. Толщина исследуемых наплавок после механической обработки соответственно состав­ ляла 11; 12; 8 мм.

Металлографический анализ наплавленного слоя, выполнен­ ный по двум ортогональным сечениям, показал, что наплавка лентой обусловливает появление хорошо выраженных столбча­ тых кристаллов, нормальных к поверхности. Средняя величина зерна D может быть оценена по 2-му баллу. Наплавка проволоч­

ным электродом имеет менее четко выраженную столбчатую структуру с меньшим размером зерна.

В деформированной наплавке столбчатость не выражена, на­ блюдается разнозернистость по 2...8 баллам.

Ослабление интенсивности УЗ-пучка при прохождении через наплавку изучалось с помощью дефектоскопа с аттенюатором прямыми и наклонными ПЭП на частоте 1,25...2,5 МГц с углами ввода а = 0; 15; 27; 39; 40; 50°. Каждое измерение нормировалось относительно донного сигнала в идентичном образце без наплав­ ки толщиной 112 мм.

Результаты экспериментов по оценке суммарного затухания в наплавке А при прозвучивании поперечными и продольными волнами со стороны основного металла приведены на рис. 7.76. Как видно, имеется тесная корреляционная связь между величи­ ной затухания А и волновой длиной пути ультразвука в наплавке 2dfX cos а с коэффициентом корреляции р* = 0,955.

В исследованной области эта зависимость может быть ап­

проксимирована прямой с	уравнением линии регрессии
A =nd/Xcosa-5,41. Из этого	выражения может быть найден

•коэффициент затухания б. Из рисунка следует, что при равном волновом пути ультразвука в наплавке для выбранных условий, когда Х> D, затухание не зависит от способа выполнения на­

плавки, структуры наплавленного слоя и, что самое главное, от типа волны и угла ввода ультразвука.

Xcosa

Рис. 7.76. Корреляционная связь коэффициента затухания ультразвука в наплавке и параметров контроля [90]

Ослабление поперечных волн в наплавке при прозвучивании со стороны основного металла и наплавки существенно отличает­ ся (см. табл. 7.7). По-видимому, это объясняется различием в импедансах основного и наплавленного металла и, естественно, раз­ ным согласованием призмы с металлом. Это, в частности, вызы­ вает необходимость изготовления испытательных образцов для эталонирования чувствительности обязательно с наплавкой и проведения настройки со стороны, соответствующей проведению штатного контроля.

Таблица 7. 7

Отношение амплитуд прошедших через наплавку сигналов при установке искателей на основной металл и наплавку (в дБ)

Частота,		Образцы
МГц	1	2	3
1,25	+ 6.1	-0 ,7	+ 0,4
1,8	+ 12,3	+ 13,1	+ 5,5

В.В. Гребенниковым и Н.Е, Лебедевым (НИКИМТ) исследо­ вано затухание ультразвука на частоте 1,2 МГц в антикоррозион­ ной наплавке толщиной 9 мм на образце из стали 48ТС при про-

звучивании эхо-зеркальным способом с трансформацией типа волн («Т-тандем») [29]. Потери в наплавке для поперечной вол­ ны, падающей под углом 38°, в среднем составляют 17,5 дБ, а потери продольных волн (угол 23°) составляют 3,5 дБ.

Поскольку поверхность наплавки в эксперименте была вол­ нистой, что особенно проявилось в коротковолновой области, полученные результаты подтверждают справедливость обобщен­ ной зависимости на рис. 7.76.

Для контроля наплавок применяют продольные, поперечные, интерфереционные, нормальные (Лэмба) и головные волны. На­ правления сканирования, параметры ПЭП (частота и углы ввода) определяются статистикой дефектов и коэффициентом затухания в наплавке. Для лучшего понимания проектантами оборудования возможностей обеспечения качества, специалистами по УЗД обо­ рудования АЭС, также как и для швов, разработаны критерии для оценки степени контроледоступности (контролепригодности) наплавки. Введены следующие степени контроледоступности антикоррозионной наплавки в порядке ее снижения:

1) 1Н - непараллельность поверхности основного металла границе «основной металл - наплавка» в зоне сплавления не пре­ вышает

. 0,6

<p = arcsm— ,

fa

где/ - частота, МГц; а - радиус пьезоэлемента, мм;

2) 2НА - непараллельность поверхности основного металла границе «основной металл - наплавка» превышает tp, но контроль со стороны основного металла проводят специальными преобра­ зователями, обеспечивающими нормальное падение УЗ-луча на поверхность зоны сплавления, или по схеме приема зеркально отраженного от наплавки луча;

3) 2НБ - контроль со стороны основного металла невозможен, его проводят со стороны наплавки. Непараллельность наплавки гра­ нице «основной металл - наплавка» не превышает значений ф;

4) наплавку считают неконтроледоступной, если не выпол­ няются условия, изложенные выше.

Для наплавок определяется объем контроля в процентах как отношение площади контроледоступной части наплавки к пло­ щади всей контролируемой наплавки. Объем контроля определя­ ется с точностью 5 % и фиксируется в КД.

Аустенитные наплавки на кромках разделки сварного соеди­ нения, как правило, контролируют РС-ПЭП со стороны наплавки

на частоте 2...5 МГц. Если такой контроль невозможен, наплавку контролируют со стороны основного металла наклонным ПЭП с углами ввода, обеспечивающими нормальное (± 2,5°) падение УЗ-луча на линию сплавления.

При контроле аустенитных наплавок оценивают сплошность зоны сплавления наплавки с основным металлом (рис. 7.77).

а

в

Рис. 7.77. Стандартные образцы предприятия для контроля:

а- перлитной и аустенитной наплавки на кромку наклонными ПЭП;

б-т о же прямым ПЭП; в- антикоррозионной наплавки, прямым ПЭП

Перлитную наплавку на кромках контролируют РС-ПЭП со стороны наплавки и наклонными ПЭП на частоте 2...5,0 МГц с углами ввода 65...70° со стороны основного металла. В большин­ стве случаев допускается совмещать контроль перлитных напла­ вок и готовых сварных соединений. Оценка качества перлитной наплавки производится по нормам для сварных швов (рис. 7.77).

Усиливающие наплавки контролируют РС-ПЭП на частоте 2...5 МГц со стороны рабочей поверхности наплавки. Если уро­ вень структурных шумов не велик, рекомендуется* наплавки прозвучивать наклонными ПЭП с углами ввода 65...70° с целью вы­ явления вертикальных трещин.

В.А. Бобровым и Н.В. Химченко (НИИХИММАШ) разрабо­ тан метод контроля биметалла плакированного коррозионностой­ кими металлами и сплавами с использованием интерференцион­ ных волн [85].

Для возбуждения интерференционных волн в плакирующем слое выбираются такие параметры ПЭП, чтобы поперечные вол­ ны испытывали полное внутреннее отражение на границе слоев.

При помощи наклонного ПЭП с углом ввода УЗК, превы­ шающим 56°, в контактном варианте вводятся в плакирующий слой колебания, которые на границе слоев падают под углом, большим угла полного внутреннего отражения. Метод применя­ ется для контроля изделий, у которых скорость продольных и поперечных волн в плакирующем слое меньше, чем в основном, и толщина плакирующего слоя составляет 3...4 мм.' Уверенно вы­ являются расслоения, протяженность которых в направлении прозвучивания больше 10 мм и толщина более 10 мк, а также трещины, глубина которых превышает 20% толщины плаки­ рующего слоя.

Для контроля тонкостенных труб (толщина стенки 0,7...0,9 мм) в иммерсионном варианте разработана методика с использо­ ванием волн Лэмба. Она основана на том, что волна Лэмба в пла­ кирующем слое возбуждается только на участке с расслоением и регистрируется только сигнал, прошедший по этому участку.

Исследования, выполненные на ПО «Ижорский завод» и в ЦНИИТМАШ, показали, что наиболее распространенными де­ фектами в антикоррозионной аустенитной наплавке большой толщины, выполненной электросваркой с присадочной проволо­ кой или лентой, являются шлаковые включения. Они имеют лин­ зообразную форму, плоская поверхность которых обращена в сторону основного металла, а выпуклая в сторону наплавленного

аустенитного слоя [49, 53]. Выявляемость таких дефектов при прозвучивании со стороны наплавки на порядок меньше, чем со стороны основного металла. Поэтому при наличии контроледоступности последний способ прозвучивания является предпоч­ тительным во всех случаях. Обычно антикоррозионную наплав­ ку контролируют на частоте 2...5,0 МГц РС-ПЭП, если толщина основного металла менее 40 мм; и прямым ПЭП при большей толщине.

И только при отсутствии доступа со стороны основного метал­ ла прозвучивание производится РС-ПЭП со стороны наплавки.

Настройку чувствительности производят по образцам с плос­ кодонными отражателями, торец которых находится в граничной зоне (зоне сплавления) (рис. 1Л1в).

Если антикоррозионная наплавка имеет толщину менее 12 мм, то весьма велика вероятность возникновения поднапла­ вочных трещин ортогональных границе сплавления. При наплав­ ке лентой эти трещины, как правило, ориентированы нормально направлению движения электрода.

Для обнаружения таких трещин применяют наклонные РС-ПЭП с углом ввода 65...70° или ПЭП, излучающие головные волны [70] (рис. 7.78).

Рис. 7.78. Траектория сканирования поверхности наплавки

Головные волны позволяют выявлять трещины и в граничной зоне и основном металле под наплавкой.

На рис. 7.79 представлены графики, характеризующие выяв­ ляемость трещинообразных дефектов в зоне сплавления антикор-

розионной аустенитной наплавки с перлитным металлом искате­ лями ИЦ-61 и ИЦ-70 на частоте 1,8 МГц. Изменение амплитуды эхо-сигналов от отражателей диаметром 2...5 мм в зависимости от толщины наплавки показано на рис. 7.79. На всех графиках точки - экспериментальные значения амплитуд эхо-сигналов, а сплош­ ные линии - зависимости, аппроксимирующие закономерности изменения амплитуды головной волны при изменении толщины наплавки. Различный качественный характер зависимостей ам­ плитуды от толщины наплавки (рис. 7.13) для ПЭП типа ИЦ-61 и ИЦ-70 обусловлен особенностями акустического тракта каждого из них.

0 2 4 6	8 _
а	б

Р и с . 7 . 7 9 . В ы я в л я е м о с т ь д е ф е к т о в п о д а у с т е н и т н о й н а п л а в к о й

ПЭП типа ИЦ-70:

а - при изменении толщины наплавки; б - при различных расстояниях до отража­ теля и при толщине наплавки 5,6 мм; 1- шумы; 2 - 5 - диаметр отражателя;

б - донный сигнал [49]

Наши эксперименты показали, что для обнаружения подна­ плавочных и трещин в самой наплавке также эффективен дельта­ метод, реализуемый с помощью специально разработанного PC-ПЭП типа наклонный - прямой.

Перед проведением контроля поверхность наплавки должна быть зачищена до Rz 40 мкм и не должна иметь западаний между

валиками глубиной более 0,8 мм. Сканирование проводят по по­ верхности наплавки в 2-х взаимно ортогональных направлениях с проворотом ПЭП по азимуту на ± 30°.

На основе многолетнего мониторинга эксплуатационной на­ дежности оборудования атомных электростанций в СССР рядом организаций (Госатомнадзор, ЦНИИТМАШ, НИИКИЭТ, ЦНИИ «Прометей» и др.) разработаны нормы допустимости несплошно­

стей в наплавках и антикоррозионных покрытиях из нержавею­ щих сталей по результатам ультразвукового контроля.

Качество сварного соединения, наплавки кромок под сварку и наплавленного антикоррозионного покрытия считается удовле­ творительным при одновременном соблюдении следующих тре­ бований:

•характеристики и количество несплошностей удовлетво­

ряют нормам, приведенным в табл. 7.8 и 7.9;

•несплошность не является протяженной;

•расстояние по поверхности сканирования между двумя со­ седними несплошностями не менее условной протяженно­ сти несплошности с большим значением этого показателя;

•трещины отсутствуют.

Таблица 7.8

Нормы допустимости одиночных несплошностей в зоне сплавления антикоррозионных наплавок

Номинальная тол­	Эквивалентная площадь оди­		Допускаемое число
щина наплавленной	ночных несплошностей, мм2		фиксируемых оди­
кромки, мм			ночных несплошно-
	минимально	максимально	стей на любых 100 мм
	фиксируемая	допускаемая	протяженности на­
			плавленной кромки
			для 1 категории, шт.
Свыше10 до 40	3,5	7	3
включительно			4
Свыше40 до 60	3,5	7
включительно			5
Свыше 60	3,5	7

Таблица 7.9

Нормы допустимости несплошностей в зоне наплавленного антикоррозионного покрытия

Номинальная	Эквивалентная площадь оди­		Допускаемая суммарная
толщина наплав­	ночных несплошностей, мм2		эквивалентная площадь
ленной детали			одиночных несплошно-
(изделия) без	минимально	максимально	стей на любом участке
учета покрытия,	фиксируемая	допускаемая	размером 200x200 мм2
мм
До 100 включи­	10	20	75
тельно
Свыше 100 до	15	30	100
300 включительно
Свыше 300	20	40	125

Н.В. Виноградовым (ВНИИНК) и В.А Бобровым (НИИХИММАШ) разработаны ультразвуковые методы контроля прочности соединения слоев биметалла, выполненного сваркой взрывом [18]. Эти методы являются относительными, т.е. оценка прочности биметалла производится путем сравнения угловых (количество лепестков и ширина индикатрисы рассеяния) от вол­ нистой границы сплавления и амплитудных (отношение ампли­ туды одного из боковых лепестков индикатрисы к амплитуде сигнала, зеркально отраженного от дна биметалла) характеристик рассеянного поля (рис. 7.80). По характеристикам поля на образцахизвестной прочностью определяются количественные соот­ ношения между величиной прочности, количеством лепестков и шириной индикатрисы рассеяния для данного биметалла. Проч­ ность соединения определяется путем сравнения характеристик поля в биметалле с характеристиками поля в образцах.

лК

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24
										а в,	кг/м м

Р и с . 7 . 8 0 . К о р р е л я ц и я м е ж д у н о р м и р о в а н н о й а м п л и т у д о й у л ь т р а з в у к о в о г о с и г н а л а , п р о ш е д ш е г о ч е р е з б и м е т а л л , и п р о ч н о с т ь ю б и м е т а л л а н а о т р ы в .

Э х о - м е т о д . V - 2 , 5 М Г ц ; о - 5 , 0 М Г ц ; х - 1 0 , 0 М Г ц [ 1 8 ]