В строительстве применяют трубы Ø от 28 до 1420 мм с толщиной стенки от 3 до 30 мм. Весь диапазон диаметров по дефектоскопичности условно можно разделить на 3 группы:
Согласно исследованиям, которые были проведены в МГТУ им. Н.Э. Баумана за последнее время, в процессе разработки методов ультразвукового контроля сварных соединений труб следует учитывать такой очень важный фактор, как анизотропию упругих характеристик материала труб.
Анизотропи́я - это различие свойств среды (к примеру, физических: теплопроводности, упругости, электропроводности и др.) в разных направлениях внутри данной среды.
В процессе УЗ-контроля сварных соединений магистральных газопроводов, собранных из труб отечественного и зарубежного производства, обнаружены пропуск серьезных корневых дефектов, неточная оценка их координат, существенный уровень акустических шумов.
Выяснилось, что при соблюдении оптимальных параметров контроля и во время его проведения главная причина пропуска дефекта - это наличие значительной анизотропии упругих свойств основного материала. Она влияет на скорость, затухание и отклонение от прямолинейности движения ультразвукового пучка.
Во время прозвучивания металла более 200 штук труб по схеме, изображенной на рис. 1, выяснилось, что среднеквадратичное отклонение скорости волны при таком направлении движения и поляризации равно 2 м/с (для поперечных волн). Отклонения скоростей от табличных величин на 100 м/с и более не являются случайными и связаны, вероятно, с технологией производства проката и труб. Такие отклонения оказывают сильное влияние на распространение поляризованных волн. Помимо указанной анизотропии, обнаружена также неоднородность скорости звука по толщине стенки трубы.
Рис. 1. Обозначения наплавлений в металле трубы: X, Y, Z.- направления распространения ультразвука: х. у.z:- направления поляризации; Y- направление проката: Z- перпендикуляр к плоскости трубы
Структура листового проката слоистая, представляющая собой вытянутые во время деформации волокна металла и прочих включений. Помимо того, из-за воздействия на металл термомеханического цикла прокатки, неравномерные по толщине участки листа подвергаются различным деформациям. Эти особенности становятся причиной того, что скорость звука дополнительно зависит от глубины нахождения прозвучиваемого слоя.
Отличительной особенностью сварных швов труб Ø от 28 до 100 мм с Н от 3 до 7 мм является возникновение провисаний внутри трубы. Это становится причиной появления на экране дефектоскопа ложных эхо-сигналов от них во время контроля прямым лучом, которые совпадают по времени с эхо-сигналами, отраженными от надкорневых дефектов, найденных однократно отраженным лучом. В связи с тем, что эффективная ширина пучка сопоставима с толщиной стенки трубы, то отражатель крайне сложно идентифицировать по местонахождению искателя относительно валика усиления. В центре шва также имеется неконтролируемая зона по причине большой ширины валика шва. Все это является причиной низкой вероятности (10-12%) выявления недопустимых объемных дефектов, хотя недопустимые плоскостные дефекты обнаруживаются намного лучше (~ 85 %). Основные характеристики провисания - глубина, ширина и угол смыкания с поверхностью объекта - являются случайными величинами для этого типоразмера труб; средние значения равны соответственно 2,7 мм; 6,5 мм и 56°30".
Прокат себя ведет как анизотропная и неоднородная среда с довольно сложными зависимостями скоростей упругих волн от направления поляризации и прозвучивания. Скорость звука изменяется примерно симметрично по отношению к середине сечения листа, причем в районе этой середины скорость поперечной волны может сильно (до 10 %) уменьшаться по сравнению с окружающими областями. Скорость поперечной волны в контролируемых объектах изменяется в диапазоне от 3070 до 3420 м/с. На глубине до 3 мм от поверхности проката скорость поперечной волны может незначительно (до 1 %) увеличиться.
Помехоустойчивость контроля значительно повышается в случае использования наклонных раздельно-совмещенных ПЭП типа РСН (рис. 2), которые названы хордовыми. Они были сконструированы в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Особенностью контроля является то, что во время поиска дефектов нет необходимости в поперечном сканировании. Оно выполняется только по периметру трубы в момент прижатия к шву передней грани преобразователя.
Рис. 2. Наклонный хордовый РСН-ПЭП: 1- излучатель: 2 - приемник
Трубы Ø от 108 до 920 мм с Н от 4 до 25 мм также соединяют односторонней сваркой без обратной подварки. До недавнего времени контроль данных соединений выполняли с помощью совмещенных ПЭП по методике, составленной для труб Ø от 28 до 100 мм. Но для такой методики контроля требуется наличие довольно большой зоны совпадений (зоны неопределенности). Это значительно снижает точность оценки качества соединения. Помимо того, совмещенные ПЭП характеризуются высоким уровнем реверберационных шумов, которые затрудняют расшифровку сигналов, а также неравномерностью чувствительности, которую не всегда могут компенсировать доступные средства. Использование хордовых раздельно-совмещенных ПЭП с целью контроля этого типоразмера сварных соединений нецелесообразно, поскольку по причине ограниченности величин углов ввода ультразвуковых колебаний с поверхности сварного соединения габариты преобразователей существенно увеличиваются, становится большей и площадь акустического контакта.
В МГТУ им. Н. Э. Баумана созданы наклонные ПЭП с выровненной чувствительностью для выполнения контроля сварных стыков Ø от 100 мм. Выравнивание чувствительности обеспечивает такой выбор угла разворота 2, чтобы верхняя часть и середина шва прозвучивались центральным один раз отраженным лучом, а нижняя часть - прямыми периферийными лучами, которые падают на дефект под углом Y, от центрального. На рис. 3. показан график зависимости угла введения поперечной волны от угла разворота и раскрытия диаграммы направленности Y. В таких ПЭП падающая и отраженная от дефекта волны являются горизонтально поляризованными (SН -волна).
Рис. 3. Изменение угла ввода альфа, в пределе половины угла раскрытия диаграммы направленности РСН-ПЭП в зависимости от угла разворота дельта.
Из графиков ясно, что во время выполнения контроля объектов с толщиной стенки 25 мм неравномерность чувствительности РС-ПЭП достигает 5 дБ, вместе с тем как для совмещенного ПЭП она может достичь 25 дБ. РС-ПЭП характеризуется повышенным уровнем сигнал – помеха и исходя из этого повышенной абсолютной чувствительностью. К примеру, РС-ПЭП без проблем выявляет дефект площадью 0,5 мм2 в процессе контроля сварного соединения толщиной 10 мм как прямым, так и один раз отраженным лучом при отношении полезный сигнал/помеха 10 дБ. Порядок выполнения контроля данными ПЭП такой же, как и совмещенным ПЭП.
Сварные стыки труб Ø от 1020 до 1420 мм с Н от 12 до 30 мм выполняют двусторонней сваркой либо с подваркой обратного валика шва. В швах, которые выполнены двусторонней сваркой, обычно, ложные сигналы от задней кромки валика усиления дают не такую большую помеху, как в односторонних швах. Их амплитуда не так велика по причине более плавных очертаний валика. Кроме того, они дальше по развертке. По этой причине, для проведения дефектоскопии это самый подходящий типоразмер труб. Но результаты исследований, проведенных в МГТУ им. Н. Э. Баумана, показывают, что металл данных труб отличается наибольшей анизотропией. Чтобы снизить влияние анизотропии на обнаружение дефектов следует использовать ПЭП на частоту 2,5 МГц с углом призмы 45°, а не 50°, как указано в большинстве нормативных документов. Самую высокую точность контроля удалось получить при использовании ПЭП типа РСМ-Н12. В отличие от методики, составленной для труб Ø от 28 до 100 мм, при контроле данных соединений отсутствует зона неопределенности. В остальном способ контроля аналогичен. При использовании РС-ПЭП настройку скорости и чувствительности развертки также рекомендуется выполнять по вертикальному сверлению. Настройку скорости и чувствительности развертки наклонных совмещенных ПЭП следует производить по угловым отражателям соответствующего размера.
В процессе контроля сварных швов необходимо помнить, что в околошовной зоне бывают расслоения металла, которые затрудняют определение координат дефекта. Зону, в которой найден дефект наклонным ПЭП, необходимо дополнительно проконтролировать прямым ПЭП с целью уточнения характера дефекта и выявления точного значения глубины дефекта.
В атомной, нефтехимической промышленности и атомной энергетике при изготовлении трубопроводов, аппаратов и сосудов часто используют плакированные стали. Для плакировки внутренней стенки данных конструкций используют аустенитные стали, которые наносят методом наплавки, прокатки либо взрыва слоем от 5 до 15 мм.
Процесс контроля данных сварных соединений предусматривает анализ сплошности перлитной части сварного шва, а также зоны сплавления с восстановительной антикоррозионной наплавкой. При этом сплошность тела самой наплавки не контролируется.
Но по причине отличия акустических характеристик основного металла и аустенитной стали, от границы раздела во время проведения ультразвукового контроля появляются эхо-сигналы, препятствующие обнаружению дефектов, к примеру, отслоений плакировки и поднаплавочных трещин. К тому же, наличие плакировки и ее характеристики оказывают значительное влияние на параметры акустического тракта ПЭП.
По этой причине стандартные технологические решения являются неэффективными при контроле толстостенных сварных швов плакированных трубопроводов.
После многолетних исследований ученые выяснили основные особенности акустического тракта. Были получены рекомендации по оптимизации его характеристик и разработана технология выполнения ультразвукового анализа сварных швов с аустенитной плакировкой.
В частности, ученые установили, что при переотражении пучка ультразвуковых волн от границы перлит-аустенитной плакировки почти не меняется диаграмма направленности в случае плакировки прокаткой и значительно изменяется в случае нанесения плакировки наплавкой. Ее ширина существенно растет, а в пределах главного лепестка есть осцилляции в 15-20 дБ в зависимости от метода наплавки. Происходит значительное перемещение точки выхода отражения от границы плакировки пучка по сравнению с его местонахождением, а также изменяется скорость поперечных волн в переходной зоне.
При разработке технологии контроля сварных соединений плакированных трубопроводов учитывали все это. Данная технология предусматривает предварительное обязательное определение толщины перлитной части (глубины проплавления антикоррозионной наплавки).
Для более точного выявления плоскостных дефектов (несплавлений и трещин) лучше использовать ПЭП с углом ввода 45° и на частоту 4 МГц. Более точное обнаружение вертикально ориентированных дефектов на угле ввода 45° в отличие от углов 60 и 70° объясняется тем, что во время прозвучивания последними угол встречи пучка с дефектом близок к третьему критическому, при котором коэффициент отражения поперечной волны минимальный.
Во время прозвучивания трубы снаружи на частоте 2 МГц эхо-сигналы от дефектов экранирует интенсивный и длительный сигнал шума. Устойчивость к помехам ПЭП на частоту 4 МГц в среднем на 12 дБ выше. По этой причине полезный сигнал от дефекта, который находится в непосредственной близости от границы наплавки, будет лучше считываться на фоне помех. И наоборот, во время прозвучивания трубы изнутри через наплавку лучшую устойчивость к помехам обеспечат ПЭП на частоту 2 МГц.
Регламентирует технологию контроля сварных швов трубопроводов с наплавкой документ Госатомнадзора РФПНАЭГ-7-030-91.
Сварные соединения являются новообразованиями на любых конструкциях и их дальнейшая безопасная эксплуатация во многом зависит от качества их наложения, а это, в свою очередь, можно выявить только специальной проверкой. Качество сварных швов металлических соединений проверяют, используя для этого различные методики дефектоскопии. Из всего существующего на сегодняшний день разнообразия видов дефектоскопии можно выделить ультразвуковой контроль сварных соединений, который является наиболее доступным и недорогим методом диагностики. Причем УЗК практически не уступает по точности измерений таким видам неразрушающего контроля, как рентгеноскопия, гамма-скопия, радиоскопия и другим.
Методика ультразвукового неразрушающего контроля является далеко не новым видом дефектоскопии и впервые была применена на практике в 1928 году, а с развитием технического прогресса и промышленных технологий стала использоваться во многих сферах деятельности человека.
Весь эффект УЗК основан на том, что акустические ультразвуковые волны при прохождении однородной среды не меняют свою прямолинейную траекторию движения, а вот при разделе сред, имеющих различную структуру и обладающих разными величинами удельного акустического сопротивления, происходит их частичное отражение. При этом чем существеннее разница в физических и химических свойствах материалов, тем больше будет звуковое сопротивление в месте раздела сред, тем ощутимее и заметнее эффект при отражении звуковых волн.
К примеру, при образовании сварного шва в структуре металла обычно остается смесь газов, которая не успела выйти во время затвердевания наружу. При этом газообразная среда обладает фактически в пять раз меньшим волновым сопротивлением прохождению ультразвуковых колебаний, чем металлическая кристаллическая решетка, что и позволяет практически полностью отражаться ультразвуковым колебаниям.
Ультразвуковой контроль, либо дефектоскопия сварных соединений являются неразрушающим их целостность методом по поиску внутренних структур, имеющих химические или физические отклонения от заданных норм, которые при недопустимой величине и определяются как механические дефекты сварных швов.
С помощью методики ультразвукового контроля осуществляется диагностика всех видов сварки, пайки и склейки, что позволяет выявлять такие дефекты соединений, как:
Главными преимуществами ультразвуковой дефектоскопии можно назвать возможность проведения контроля:
Использование ультразвукового контроля имеет ряд особенностей, а именно - требуется существенная подготовка исследуемых поверхностей для прохождения от пьезоэлектрических преобразователей ультразвуковых волн по структуре металла. Необходимо:
Непосредственно к недостаткам этой методики дефектоскопии можно отнести:
Технология проведения ультразвуковой дефектоскопии основывается на способности акустических колебаний высокой частоты, порядка 20 кГц, проходить однородную структуру и частично отражаться от различных препятствий в виде пор, трещин и других неоднородностей. Существует несколько методов получения отражения ультразвукового сигнала, а именно:
Наиболее распространенными являются два вида дефектоскопии сварных швов при помощи ультразвука - это теневая и эхо-импульсная методика проведения контроля.
Несмотря на существование нескольких методик ультразвуковой дефектоскопии их проведение практически схоже и различается лишь в наборе диагностического оборудования. Так, проведение процедуры дефектоскопии можно описать следующей последовательностью:
Мониторинг технического состояния газопроводов является важной и ответственной задачей. Их повреждения и прорывы могут повлечь техногенные катастрофы с серьезными экологическими последствиями, финансовыми убытками и сбоями в промышленной деятельности.
Сварные швы на стыках стальных секций в трубопроводах являются самым уязвимым местом конструкции. Причем их прочность не зависит от давности или новизны соединения. Они нуждаются в постоянном контроле герметичности.
Стенки труб менее уязвимы, но в процессе эксплуатации они подвергаются давлению и агрессивному воздействию от перегоняемых веществ изнутри и неблагоприятным внешним влияниям снаружи. В результате даже прочные материалы и надежные защитные покрытия со временем могут повреждаться, деформироваться, портиться и разрушаться.
Для мониторинга и своевременного обнаружения дефектов применяется ультразвуковой контроль трубопроводов. С его помощью можно обнаружить даже самые мелкие или скрытые несовершенства шовных соединений или стенок труб.
В основе ультразвукового метода диагностики лежат акустические волновые колебания, неразличимые для слуха человека, их регистрация и приборный анализ. Эти волны проходят через металл с определенной скоростью. Если в нем содержатся пустоты, скорость меняется и определяется приборами, как и отклонения в движении волнового потока из-за встречаемых препятствий или мест структурной неоднородности материала. По характеристикам акустических волн также можно понять форму и размеры дефектов, их расположение.
При проведении мониторинга в автоматическом режиме используются инфразвуковые системы, работающие на основе аппаратных и программных методов. Приборы для сбора акустической информации, установленные группами вдоль трубопровода на определенном расстоянии друг от друга, передают ее по каналам связи в диспетчерские пункты для интеграции, обработки и анализа. Фиксируются количество, координаты и параметры обнаруженных изъянов или утечек. Результаты сигналов отслеживаются специалистами на мониторе.
Автоматизированная инфразвуковая система мониторинга трубопроводов позволяет осуществлять постоянную дистанционную проверку их работы, контроль и управление в реальном времени с возможностью диагностики труднодоступных участков и отсеков газораспределения, с использованием сочетания одновременно нескольких методов мониторинга для большей точности результата и оперативного обнаружения дефектов, выявления утечек. Это современное оборудование высокого класса.
К системе могут быть также подключены датчики давления, температуры, расходомеры и измерители других параметров для получения информации о технологических процессах, происходящих в трубопроводе.
Преимущества метода:
Качественный мониторинг состояния трубопроводов – это гарантия их безопасной эксплуатации, надежной работы и страховка от ущерба. Он обеспечивается благодаря надежности и эффективности применяемого оборудования.
Компания СМИС Эксперт занимается разработкой диагностических приборов и систем мониторинга с использованием современных научных знаний и инновационных технологий. Применение таких систем на практике обеспечивает высокий уровень и точность контроля целостности магистральных трубопроводов, своевременное обнаружение любых видов дефектов и предотвращение возникновения чрезвычайных ситуаций.
Воспользуйтесь нашими услугами по профессиональной организации ультразвукового контроля газопроводов и других объектов повышенной значимости, когда нужен опыт, ответственный подход и безупречный результат.
Ждем ваших заявок!
г^гштттшоо
2 (02), 2007/ U9
The methods of the non destructive testing of pipes during manufacture are considered. It is shown, that the ultrasonic method provides revealing all types of defects peculiar to seamless pipes. The ways of pipes automated testing realization of are determined.
А. Л. МАЙОРОВ, Я. П. ПРОХОРЕНКО, ГНУ «ИПФ HAH Беларуси»
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ БЕСШОВНЫХ ТРУБ В УСЛОВИЯХ ПРОИЗВОДСТВА
Производственные дефекты труб определяются технологией их изготовления. Наибольшее распространение получило несколько технологий. В первую очередь это производство электросварных труб. В этом случае основное внимание уделяется продольному сварному шву и дефектам листа, из которого труба формируется. Горяче- и холодно-деформированным бесшовным трубам присущи в первую очередь дефекты металлургического происхождения, образовавшиеся еще в заготовке, из которой изготавливается труба. Кроме того, могут возникать и дополнительные дефекты, связанные, например, с недостаточным или неравномерным нагревом во время прокатки или протяжки. Особняком стоят чугунные трубы, полученные центробежным литьем. В любом случае в условиях производства существует возможность осуществления 100%-ного автоматизированного контроля труб. Потребитель труб имеет, как правило, возможность выборочного контроля в ручном и механизированном режиме для проверки труб в состоянии поставки. Методика контроля и в том и в другом случае одинакова. При исследовании труб в процессе эксплуатации возникают дополнительные дефекты, связанные с коррозионным поражением и дефектами поперечных сварных швов. Для их выявления используются другие методики и первичные преобразователи.
Рассмотрим основные подходы к разработке средств неразрушающего контроля бесшовных труб в условиях их производства. Условно для целей контроля трубы можно разделить на особо толстостенные, если толщина их стенки 5 составляет больше 10% от диаметра Б: 5>0,1Д толстостенные с толщиной стенки 5=(0,05-0,1)Д тонкостенные трубы с толщиной стенки Л-(0,025--0,05)0 и особо тонкостенные с толщиной стенки 5<0,025П.
Магнитные методы контроля могут быть использованы для контроля поверхностных дефек-
тов или дефектов тонкостенных труб из магнитных материалов. Токовихревой контроль также может быть применен для поверхностных дефектов или особо тонкостенных труб. Кроме того, в этих случаях дефекты могут быть выявлены визуальными методами. При контроле труб с толстыми стенками наибольший интерес представляют ультразвуковые методы. С их помощью можно определять дефекты как на внутренней и внешней поверхностях, так и внутри стенки трубы .
С позиций ультразвукового контроля необходимо различать трубы большого диаметра, т.е. диаметра, при котором нельзя провести контроль по всей окружности трубы с одной установки преобразователя. Это диаметр примерно от 400 мм. Далее следуют трубы диаметром примерно от 20 до 400 мм. В этом случае можно уверенно принимать импульс, обегающий весь периметр трубы. При контроле труб диаметром менее 20 мм, т.е. с внешним периметром менее 60-65 мм, более эффективным становится контроль лучом, который распространяется вдоль трубы по спирали. В этом случае появляется возможность одновременно контролировать поперечные дефекты (конечно, в тех случаях, когда технологически возможно их появление, например, при центробежном литье). Причем волны могут возбуждаться под несколькими углами одновременно, что повышает надежность контроля и позволяет выявлять дефекты с отклонением от продольной или поперечной ориентации.
Итак, на наш взгляд, контроль при производстве бесшовных труб необходимо начинать на стадии изготовления заготовки. Как правило, внутренние дефекты - это дефекты, возникшие при отливке. Затем после прокатки или волочения они приобретают форму продольных расслоений. Внутренние дефекты могут возникнуть и из-за недостаточного прогрева заготовки перед прокаткой. В любом случае эти дефекты имеют осевую ориен-
I 2 (42). 2007 -
тацию и могут быть обнаружены путем прозву-чивания в направлении, перпендикулярном оси. Кроме того, на поверхности могут появляться надрывы и отслоения. Они ориентированы под малыми углами к оси, поэтому также могут выявляться при поперечном прозвучивании.
Схема контроля и количество преобразователей определяется диаметром заготовки. На рис. 1 показана схема для выявления внутренних дефектов заготовки. Обычным, традиционным методом является использование прямых преобразователей 2. Для того чтобы избежать вращения заготовки, можно расположить несколько преобразователей под углами 90° и напротив друг друга. Прямые преобразователи в эхо-режиме обеспечивают высокую чувствительность контроля, обеспечивая выявление дефектов с раскрытием в единицы квадратных миллиметров. Учитывая, что дефекты в виде пор в прокатанной заготовке отсутствуют, данная чувствительность является достаточной. Следует учитывать, что на границе раздела жидкость - заготовка (в иммерсионном варианте контроля) происходит расфокусирование акустического луча. Поэтому путем выбора размера излучателя можно всегда обеспечить контроль определенной области заготовки. При диаметрах заготовки менее -25 мм контроль прямым преобразователем в иммерсионном варианте становится малоэффективным. Это вызвано тем, что часть полезного сигнала маскируется за счет преобразования на границе раздела. В этом случае удобно использовать раздельно-совмещенный преобразователь (3 на рис. 1). Граница между излучателями должна быть ориентирована параллельно оси заготовки. Дефекты выявляются в области пересечения диаграмм направленности (область 5 на рис. 1). Схема с раздельно-совмещенным преобразователем эффективно работает до диаметров -200 мм. В случае прямого и раздельно-совмещенного преобразователей имеется возможность следить за акустическим контактом, например, по донному сигналу. Частота следования импульсов определяется скоростью движения заготовки в зависимости от ширины диаграммы направленности преобразователя и требуемой чувствительности контроля.
Дефекты, которые возникают вблизи поверхности, могут быть выявлены с помощью наклонного ввода акустических колебаний с преобразованием продольных волн в поперечные, т.е. под углами между первым и вторым критическим. Схема контроля показана на рис. 2. Обычно отражения даже от небольших дефектов на поверхности при распространении поверхностной волны значительно превышают эхо-сигналы от внутренних дефектов для поперечных волн. В случае иммерсионного контроля возникающая поверхностная волна быстро затухает за счет излучения части энергии в иммерсионную среду. Угол ввода
/\ I > - - - \
I ............... . ^
Рис. 1. Схема проведения ультразвукового контроля внутренних дефектов цилиндрической заготовки: I - контролируемое изделие; 2 - прямой преобразователь; 3 - раздельно-совмещенный преобразователь; 4 - область контроля прямым преобразователем; 5 - область контроля раздельно-совмещенным преобразователем
а определяется техническими требованиями к контролируемому изделию. Чем ближе угол ко второму критическому, тем больше переотражений испытывает сигнал при распространении и тем ближе траектория распространения к внешней образующей заготовки. Следует учитывать, что при каждом отражении часть энергии рассеивается, поэтому при больших диаметрах заготовки (более -100 мм) необходимо использовать несколько преобразователей, расположенных по периметру образующей. Ширина диаграммы направленности зависит от размера излучателя. В случае широкой диаграммы получается, что ультразвуковой сигнал падает на поверхность заготовки под разными углами и одновременно возникает несколько типов волн, которые распространяются с разной скоростью. Поэтому в том случае, когда необходимо определить локализацию дефектов, следует использовать преобразователи с узкой диаграммой. Для того чтобы охватить контролем большую часть диаметра заготовки, надо использовать несколько преобразователей под разными углами (в случае узконаправленных преобразователей).
При контроле приповерхностных дефектов в заготовках диаметром менее -20 мм целесообразным является контроль ультразвуковым лучом, распространяющемся по спирали . Возбуждение и прием сигнала в этом случае осуществляются преобразователем, наклоненным по отношению к осевой линии под углом 0 (рис. 3). Угол наклона преобразователя 0 и соответственно шаг спирали зависят от ширины диаграммы направленности.
/ТТ^-г: ГгГ7ПЛЛ7ГГГГГТ / д|
Рис. 2. Схема проведения ультразвукового контроля приповерхностных дефектов цилиндрической заготовки: / - контролируемое изделие; 2 - преобразователь; 3 - область контроля; а12 - углы падения акустического луча; (3, 2 - углы ввода акустического луча; Л/] г - толщина контролируемой
Контроль труб на наиболее распространенные продольные дефекты осуществляется по аналогии с заготовкой, как это показано на рис. 2. В отличие от заготовки для поперечной волны в трубе создается своеобразный волновод. При своем распространении она испытывает ряд последовательных отражений. В этом случае достаточно эффективно выявляются все протяженные дефекты. Кроме того, на внутренней поверхности трубы создаются условия для возбуждения поверхностной волны, которая может давать значительные отражения от рисок на этой поверхности, не являющихся дефектами. Для устранения регистрации данных дефектов нами разработан специальный алгоритм обработки сигналов с использованием нескольких преобразователей. Схема контроля приведена на рис. 4. Каждый из преобразователей работает в режиме излучения - приема. Располагаются преобразователи таким образом, чтобы обеспечить разделение во времени сигнала поперечной волны, распространяющейся внутри стенки трубы от сигналов инициируемой поверхностной волны. Угол ввода и количество преобразователей определяются диаметром трубы и толщиной стенки. При использовании такой многоканальной системы отпадает необходимость во вращении трубы, так как весь объем контролируется за один проход. Контроль за наличием акустического контакта осуществляется либо по теневому сигналу, обежавшему всю трубу, либо в случае большого диаметра трубы за счет сигнала с преобразователя на преобразователь. Регистрация импульсов проводится в заданном временном интервале по амплитудному признаку. Обычно при таком способе контроля один дефект дает два или более отражений. Принятие решения о дефектности проводится программно на основе анализа времени прихода сигналов от дефектов на преобразователи. Как видно из рис. 4, сигналы от дефекта располагаются симметрично относительно сигнала, обежавшего весь периметр трубы по кругу. Причем разница во времени прихода сигналов от дефекта для разных преобразователей остается постоянной и зависит от шага расположения преобразователей по периметру трубы. Здесь / - порядковый номер преобразователя. При контроле проводится измерение времени распространения сигнала от дефекта?,к (к - номер, присваиваемый дефекту), вычисляются разности А1
к, проводится сравнение разно-
Рис. 3. Схема контроля заготовок малого диаметра с использованием ультразвукового сигнала, распространяющегося по спирали: 1 - контролируемое изделие; 2 - зона контроля; 3 - первичный преобразователь; 0 - угол наклона падающего ультразвукового луча
стей и принимается решение о наличии дефекта. Для последовательного переключения преобразователей используются два способа. Выбор способа определяется несколькими факторами. Во-первых, соотношением между чувствительностью и скоростью контроля, во-вторых, размером контролируемой трубы, а значит, количеством преобразователей. Один способ ~ это использование нескольких блоков генепяттим - -------
т.^г Г^ПШЧТГП
Рис. 4. Схема контроля трубы поперечными волнами с использованием нескольких преобразователей (а); вид результатов контроля на экране дефектоскопа (развертка типа А) (б): 1-5 - первичные преобразователи; б - дефект; 7 - поверхностная волна; 8 - поперечные волны; 9 - задающий импульс; 10 - теневой сигнал при прохождении волны по всему периметру; 11, 12 - сигналы от дефекта для преобразователя 7; 13, 14 - сигналы от дефекта для преобразователя 2
обработкой информации, второй - это разделение частоты следования импульсов управления, т.е. в этом случае, например при частоте следования импульсов с генератора 1 кГц, они направляются по циклу на разные преобразователи. Если преобразователей (излучателей - приемников) два, то каждый работает с частотой 500 Гц, если четыре,
то 250 Гц и т.д. Современная электронная элементная база позволяет реализовать этот процесс.
В ряде случаев, когда браковочный уровень дефектов составляет десятки квадратных миллиметров, процесс контроля и принятия решения может быть значительно упрощен. В этом случае анализируется теневой сигнал поперечной волны, распространяющейся в стенке трубы. Энергия, которая уходит на формирование поверхностной волны, остается постоянной и на величину теневого сигнала не оказывает влияния. При обнаружении дефекта и установлении места его локализации при необходимости может быть проведен дополнительный анализ его размеров эхо-методом. Кроме того, теневой метод является более чувствительным к дефектам типа расслоение, т.е. дефектам, которые возникли после прокатки и дают незначительный эхо-сигнал из-за своей ориентации. Дефекты расслоения могут быть выявлены прямым или раздельно-совмещенным преобразователем при вводе колебаний со стороны наружной поверхности, при толщинах стенки трубы, превышающей -10 мм. Эта процедура может быть совмещена с измерением толщины стенки трубы.
Контроль тонкостенных труб эффективно осуществлять не поперечными, а нормальными волнами (волны Лэмба). Это волны в пластинах, которые являются комбинацией продольных и поперечных волн . Дня их возбуждения необходимо осуществить ввод упругих колебаний под определенным углом к поверхности. Для каждой толщины пластины, или в нашем случае стенки трубы, существует угол ввода, при котором на данной частоте возбуждается определенная мода нормальной волны с соответствующей скоростью распространения. Существуют симметричные и несимметричные моды с соответствующими номерами. При распространении симметричной моды происходит изменение профиля стенки, несимметричной - изгиб. Трудность метода при использовании доя контроля труб состоит в том, чтобы возбудить волну заданной моды, а не целый спектр колебаний, в котором трудно разобраться. Связано это с конечностью размеров ультразвукового пучка. Получается, что он падает на поверхность трубы под разными углами и чем меньше диаметр трубы, тем разброс углов больше. Поэтому необходимым условием успешного контроля является фокусировка акустического луча .
Отдельно следует остановиться на особо толстостенных трубах, особенно когда толщина стенки превышает 20% диаметра. Связано это с тем,
что минимальный угол, под которым может быть возбуждена поперечная волна, находится в диапазоне 27-33°. Это зависит от материала трубы, точнее от скорости распространения звука в этом материале. Соответственно наступает момент (т.е. толщина стенки достигает определенного предела), при котором становится невозможно организовать внутреннее переотражение поперечных волн, для того чтобы они могли распространяться, как в волноводе. В этом случае возможно использование продольных волн при вводе до первого критического угла. Конечно, чувствительность уменьшается, но и технические требования к таким трубам тоже другие. В этом случае контроль организуется по тем же принципам, как показано на рис. 4, только с использованием преобразователей, возбуждающих продольные волны.
В любом случае при организации контроля труб в автоматизированном режиме, для достижения определенной техническими требованиями чувствительности и необходимой производительности общая концепция контроля должна привязываться к конкретному производству . Для этого должны быть исследованы условия возможного дефектообразования для данного процесса производства, в соответствии с этим определены схемы контроля. Проведена привязка к оборудованию, на котором производятся трубы и определена стадия процесса, на которой возможно проводить контроль исходя из технической и эконо-
мической целесообразности, т.е. каждая установка для контроля труб, несмотря на общие подходы, изготавливается индивидуально для данного производства. Во всех случаях в качестве иммерсионной среды для ввода акустических колебаний может быть использована СОЖ. Контроль может проводиться с полным и неполным погружением или струйным акустическим контактом, может быть совмещен с охлаждением. Измерение толщины стенки трубы совмещается с контролем дефектов или может быть выполнено в виде отдельного блока. При описанной организации контроля возможны разные способы представления результатов, начиная с красной лампочки или сирены в случае брака, до записи результатов в компьютер с привязкой к локализации дефектов по длине трубы и подачи сигнала на исполнительные устройства.
Литература
1. Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов: Справ. М.: Металлургия, 1991.
2. Приборы для неразрушающего контроля качества материалов и изделий: Справ. / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1976.
3. Гурвич А.К., Кузьмина Л.И. Справочные диаграммы направленности ультразвуковых дефектоскопов. Киев: Техника, 1980.
4. Konovalov G., Mayorov A., Prohorenko P. The Systems for Automated Ultrasonic Testing // 7"" European Conference on NDT. Copenhagen, 1998.
Швы в конструкциях со сварными соединениями должны постоянно подвергаться контролю. И это не зависит от того, когда соединение было сделано. Для этого используются различные методы, один из которых – ультразвуковая дефектоскопия (УЗД). Она по точности проведенных исследований превосходит и рентгеноскопию, и радио-дефектоскопию, и гамма-дефектоскопию.
Необходимо отметить, что эта методика не нова. Ее используют с тридцатых годов прошлого столетия, и сегодня ультразвуковой контроль сварных соединений популярен, потому что с его помощью можно выявить мельчайшие дефекты внутри сварочного шва. И, как показывает практика, именно скрытые дефекты являются основными серьезными причинами ненадежности свариваемой конструкции.
Технология ультразвуковой дефектоскопии. (Слева отсутствие дефекта, справа дефет)
В основе ультразвуковых колебания лежат обычные акустические волны, которые имеют частоту колебания выше 20 кГц. Человек их не слышит. Проникая внутрь металла, волны попадают между его частицами, которые находятся в равновесии, то есть, колеблются в одной фазе. Расстояние между ними равно длине ультразвуковой волны. Этот показатель зависит от скорости прохождения через металлический шов и частоты самих колебаний. Зависимость определяется по формуле:
Скорость же зависит от плотности материала. К примеру, в продольном направлении ультразвуковые волны двигаются быстрее, чем в поперечном. То есть, если на пути волны попадаются пустоты (другая среда), то изменяется и ее скорость. При этом, встречая на своем пути различные дефекты, происходит отражение волн от стенок раковин, трещин и пустот. А соответственно и отклонение от направленного потока. Изменение движения оператор видит на мониторе УЗК прибора, и по определенным характеристикам определяет, какой дефект встал на пути движения акустических волн.
К примеру, обращается внимание на амплитуду отраженной волны, тем самым определяется размер дефекта в сварочном шве. Или по времени распространения ультразвуковой волны в металле, что определяет расстояние до дефекта.
В настоящее время в промышленности применяются несколько способов ультразвуковой дефектоскопии сварных швов. Рассмотрим каждый из них.
Вот такие методы ультразвукового контроля сегодня используются для определения качества сварных соединений. Необходимо отметить, что чаще всего специалисты используют эхо-импульсный и теневой метод. Остальные реже. Оба вариант в основном используются в ультразвуковом контроле тру.
Все выше описанные технологии относятся к категории ультразвуковых методов неразрущающего контроля. Они удобны и просты в исполнении. Рассмотрим, как теневой метод используется на практике. Все действия проводятся по ГОСТ.
Внимание! Контроль качества сварных угловых соединений (тавровых) производится только эхо-импульсным способом, теневой метод здесь не подойдет.
Чувствительность прибора – основной фактор качества проводимых работ. Как с его помощью можно распознать параметры дефекта.
Во-первых, определяется количество изъянов. Даже при самых близких друг к другу расстояниях эхо-метод может определить: один дефект в сварочном шве или два (несколько). Их оценка производится по следующим критериям:
Протяженность волны и ширину изъяна можно определить путем перемещения излучателя вдоль сварочного соединения. Высоту трещины или раковины можно узнать, исходя из разницы временных интервалов между отраженной волной и излученной раньше. Форма же дефекта определяется специальной методикой. В основе ее лежит форма отраженного сигнала, появляющаяся на мониторе.
Метод ультразвуковой дефектоскопии сложный, поэтому качество полученных результатов зависит от квалификации оператора и соответствия полученных показателей, которые регламентирует ГОСТ.
К достоинствам метода для контроля сварных швов можно отнести следующие критерии.
Недостатки тоже есть.
