Ультразвуковой контроль сварного шва труб. Кольцевые швы стыковых сварных соединений труб. Методика ультразвукового контроля. Схема расшифровки ложных эхо-сигналов

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.

Достоинства УЗК

С помощью методики ультразвукового контроля осуществляется диагностика всех видов сварки, пайки и склейки, что позволяет выявлять такие дефекты соединений, как:

• воздушные пустоты и поры,
• расслоения в наплавленном металле шва,
• околошовные трещины,
• химически неоднородные вкрапления,
• шлаковые отложения,
• неоднородность структуры,
• искривление геометрических размеров.

Главными преимуществами ультразвуковой дефектоскопии можно назвать возможность проведения контроля:

• соединений как из однородных, так и из разнородных материалов;
• структур, состоящих как из металлов, так и неметаллов;
• без разрушения и без повреждения исследуемых образцов;
• с высокой мобильностью;
• с высокой скоростью исследований;
• при низкой себестоимости;
• без опасных факторов для персонала в сравнении с рентгено- или радио-дефектоскопией.

Недостатки УЗК

Использование ультразвукового контроля имеет ряд особенностей, а именно - требуется существенная подготовка исследуемых поверхностей для прохождения от пьезоэлектрических преобразователей ультразвуковых волн по структуре металла. Необходимо:

• создание шероховатостей 5 класса на поверхности сварного соединения с направлением полос перпендикулярно шву;
• нанесение на исследуемый участок контактной массы (в виде воды, масел) для полного исключения воздушного зазора, а в случае с вертикальной или при сильнонаклоненной поверхности использовать густые клейстеры, неспособные к быстрому стеканию;

Непосредственно к недостаткам этой методики дефектоскопии можно отнести:

• необходимость в использовании специальных пьезоэлектрических преобразователей, имеющие радиус кривизны подошвы в диапазоне величины +-10% от радиуса исследуемого объекта для диагностики округлых форм конструкцией с диаметром менее 200 мм;
• существенные сложности при исследовании крупнозернистых структур металлов, к примеру, чугуна или аустенита при толщине более 60 мм, связанного со значительным затуханием и с существенным рассеванием ультразвуковых колебаний;
• невозможность проведения контроля деталей с малыми и сложными формами;
• затруднительность в оценке соединений разных видов сталей, что связано с неоднородностью основных металлов и сварного шва;
• невозможность установления реальных размеров различных типов дефектов из-за их формы, физических свойств и расположения в структуре сварного шва.

Виды ультразвукового контроля швов

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:

• теневой, который определяет разницу амплитуды между прошедшими и отраженными колебаниями;
• зеркально-теневой, основанный на определении коэффициента затухания отраженных волн;
• эхо-зеркальный или тандемный, использующий для своей работы два аппарата;
• дельта метод, заключающейся в определении энергии отраженных от дефекта колебаний;
• эхо-импульсный, который основывается на регистрации отраженных ультразвуковых волн.

Наиболее распространенными являются два вида дефектоскопии сварных швов при помощи ультразвука - это теневая и эхо-импульсная методика проведения контроля.

Методика проведения УЗК

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:

1. Производиться тщательная подготовка исследуемой поверхности путем механического удаления остатков шлака, краски и ржавчины со сварочного шва. Вдобавок очищают полосы по 50 мм с обеих сторон от него.
2. Место проведения дефектоскопии обильно покрывают жидкой массой в виде воды, минеральных масел или густых специальных клейстеров - это необходимо для возможности беспрепятственного прохождения ультразвуковых волн.
3. Производиться предварительная настройка прибора на определенную методику, рассчитанную на решение конкретных задач.
4. Пьезоэлектрический преобразователь УЗК последовательно начинают перемещать по зигзагообразной траектории по сварочному шву.
5. После получения устойчивого сигнала необходимо периодически поворачивать пьезоэлектрический преобразователь в разные стороны вокруг своей оси так, чтобы получить на экране прибора сигнал с максимальной четкостью изображения.
6. При обнаружении дефектов их фиксируют и записывают соответствующие координаты.
7. При необходимости, ультразвуковой контроль сварных швов проводят в один или несколько проходов.
8. Полученные результаты дефектоскопии заносятся в журнал проверки.

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.

На чем основана эта технология?

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.

Как осуществляется ультразвуковой контроль газопроводов?

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:

• ультразвуковое обследование – это бережный и неразрушающий контроль трубопроводов,
• имеет высокую чувствительность и диагностическую точность,
• минимальное время для обнаружения утечек газа или других веществ,
• возможность дистанционного наблюдения,
• безопасность,
• удобство и простота монтажа и эксплуатации системы,
• обследование не останавливает и не влияет на процесс технической эксплуатации трубопровода,
• подходит для всех видов материалов, из которых изготавливаются трубы,
• может использоваться при наземной и подземной прокладке труб,
• может осуществляться в любых климатических условиях,
• выгодно по экономическим затратам.

Предложения нашей компании для проведения мониторинга трубопроводов.

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!

Для обеспечения безопасных условий эксплуатации различных объектов со сварными соединениями все швы необходимо подвергать регулярной проверке. Вне зависимости от их новизны или давнего срока эксплуатации металлические соединения проверяются различными методами дефектоскопии. Наиболее действенным методом является УЗД – ультразвуковая диагностика, которая превосходит по точности полученных результатов рентгенодефектоскопию, гамма-дефектоскопию, радио-дефектоскопию и др.

Это далеко не новый (впервые УЗК проведен в 1930 году) метод, но является очень популярным и используется практически повсеместно. Это обусловлено тем, что наличие даже небольших приводит к неизбежной утрате физических свойств, таких как прочность, а со временем к разрушению соединения и непригодности всей конструкции.

Теория акустической технологии

Ультразвуковая волна при УЗД не воспринимается ухом человека, но она является основой для многих диагностических методов. Не только дефектоскопия, но и другие диагностические отрасли используют различные методики на основе проникновения и отражения ультразвуковых волн. Особенно они важны для тех отраслей, в которых основным является требование о недопустимости нанесения вреда исследуемому объекту в процессе диагностики (например, в диагностической медицине). Таким образом, ультразвуковой метод контроля сварных швов относиться к неразрушающим методам контроля качества и выявления места локализации тех или иных дефектов (ГОСТ 14782-86).

Качество проведения УЗК зависит от многих факторов, таких как чувствительность приборов, настройка и калибровка , выбор более подходящего метода проведения диагностики, от опыта оператора и других. Контроль швов на пригодность (ГОСТ 14782-86) и допуск объекта к эксплуатации не возможен без определения качества всех видов соединений и устранения даже мельчайшего дефекта.

Определение

Ультразвуковой контроль сварных швов – это неразрушающий целостности сварочных соединений метод контроля и поиска скрытых и внутренних механических дефектов не допустимой величины и химических отклонений от заданной нормы. Методом ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) проводится диагностика разных сварных соединений. УЗК является действенным при выявлении воздушных пустот, химически не однородного состава (шлаковые вложения в ) и выявления присутствия не металлических элементов.

Принцип работы

Ультразвуковая технология испытания основана на способности высокочастотных колебаний (около 20 000 Гц) проникать в металл и отражаться от поверхности царапин, пустот и других неровностей. Искусственно созданная, направленная диагностическая волна проникает в проверяемое соединение и в случае обнаружения дефекта отклоняется от своего нормального распространения. Оператор УЗД видит это отклонение на экранах приборов и по определенным показаниям данных может дать характеристику выявленному дефекту. Например:

• расстояние до дефекта – по времени распространения ультразвуковой волны в материале;
• относительный размер дефекта – по амплитуде отраженного импульса.

На сегодняшний день в промышленности применяют пять основных методов проведения УЗК (ГОСТ 23829 – 79), которые отличаются между собой только способом регистрации и оценки данных:

• Теневой метод. Заключается в контроле уменьшения амплитуды ультразвуковых колебаний прошедшего и отраженного импульсов.
• Зеркально-теневой метод. Обнаруживает дефекты швов по коэффициенту затухания отраженного колебания.
• Эхо-зеркальный метод или “Тандем” . Заключается в использовании двух аппаратов, которые перекликаются в работе и с разных сторон подходят к дефекту.
• Дельта-метод. Основывается на контроле ультразвуковой энергии, переизлученной от дефекта.
• Эхо-метод. Основан на регистрации сигнала отраженного от дефекта.

Откуда колебания волны?

Проводим контроль

Практически все приборы для диагностики методом ультразвуковых волн устроены по схожему принципу. Основным рабочим элементом является пластина пьезодатчика из кварца или титанита бария. Сам пьезодатчик прибора для УЗД расположен в призматической искательной головке (в щупе). Щуп располагают вдоль швов и медленно перемещают, сообщая возвратно-поступательное движение. В это время к пластине подводится высокочастотный ток (0,8-2,5 Мгц), вследствие чего она начинает излучать пучки ультразвуковых колебаний перпендикулярно своей длине.

Отраженные волны воспринимаются такой же пластиной (другим принимающим щупом), которая преобразует их в переменный электрический ток и он сразу отклоняет волну на экране осциллографа (возникает промежуточный пик). При УЗК датчик посылает переменные короткие импульсы упругих колебаний разной длительности (настраиваемая величина, мкс) разделяя их более продолжительными паузами (1-5 мкс). Это позволяет определить и наличие дефекта, и глубину его залегания.

Процедура проведения дефектоскопии

1. Удаляется краска и со сварочных швов и на расстоянии 50 – 70 мм с двух сторон.
2. Для получения более точного результата УЗД требуется хорошее прохождение ультразвуковых колебаний. Поэтому поверхность металла около шва и сам шов обрабатываются трансформаторным, турбинным, машинным маслом или солидолом, глицерином.
3. Прибор предварительно настраивается по определенному стандарту, который рассчитан на решения конкретной задачи УЗД. Контроль:
4. толщины до 20 мм – стандартные настройки (зарубки);
5. свыше 20 мм – настраиваются АРД-диаграммы;
6. качества соединения – настраиваются AVG или DGS-диаграммы.
7. Искатель перемещают зигзагообразно вдоль шва и при этом стараются повернуть вокруг оси на 10-15 0 .
8. При появлении устойчивого сигнала на экране прибора в зоне проведения УЗК, искатель максимально разворачивают. Необходимо проводить поиск до появления на экране сигнала с максимальной амплитудой.
9. Следует уточнить: не вызвано ли наличие подобного колебания отражением волны от швов, что часто бывает при УЗД.
10. Если нет, то фиксируется дефект и записываются координаты.
11. Контроль сварных швов проводится согласно ГОСТу за один или два прохода.
12. Тавровые швы (швы под 90 0) проверяются эхо-методом.
13. Все результаты проверки дефектоскопист заносит в таблицу данных, по которой можно будет легко повторно обнаружить дефект и устранить его.

Иногда для определения более точного характера дефекта характеристики от УЗД не хватает и требуется применить более развернутые исследования, воспользовавшись рентгенодефектоскопией или гамма-дефектоскопией.

Рамки применения данной методики при выявлении дефектов

Контроль сварочных швов, основанный на УЗД довольно четкий. И при правильно проведенной методике испытания шва дает полностью исчерпывающий ответ по поводу имеющегося дефекта. Но рамки применения УЗК так же имеет.

С помощью проведения УЗК возможно выявить следующие дефекты:

• Трещины в околошовной зоне;
• поры;
• непровары шва;
• расслоения наплавленного металла;
• несплошности и несплавления шва;
• дефекты свищеобразного характера;
• провисание металла в нижней зоне сварного шва;
• зоны, пораженные коррозией,
• участки с несоответствием химического состава,
• участки с искажением геометрического размера.

Подобную УЗД возможно осуществить в следующих металлах:

• медь;
• аустенитные стали;
• и в металлах, которые плохо проводят ультразвук.

УЗД проводится в геометрических рамках:

• На максимальной глубине залегания шва – до 10 метров.
• На минимальной глубине (толщина металла) – от 3 до 4 мм.
• Минимальная толщина шва (в зависимости от прибора) – от 8 до 10 мм.
• Максимальная толщина металла – от 500 до 800 мм.

Проверки подвергаются следующие виды швов:

• плоские швы;
• продольные швы;
• кольцевые швы;
• сварные стыки;
• тавровые соединения;
• сварные .

Основные области использования данной методики

Не только в промышленных отраслях используют ультразвуковой метод контроля целостности швов. Данную услугу – УЗД заказывают и в частном порядке при строительстве или реконструкции домов.

УЗК чаще всего применяется:

• в области аналитической диагностики узлов и агрегатов;
• когда необходимо определить износ труб в магистральных трубопроводах;
• в тепловой и атомной энергетике;
• в машиностроении, в нефтегазовой и химической промышленности;
• в сварных соединениях изделий со сложной геометрией;
• в сварных соединениях металлов с крупнозернистой структурой;
• при установке ( соединений) котлов и узлов оборудования, которое поддается влиянию высоких температур и давления или влиянию различных агрессивных сред;
• в лабораторных и полевых условиях.

Испытания в полевых условиях

К преимуществам ультразвукового контроля качества металлов и сварных швов относятся:

1. Высокая точность и скорость исследования, а также его низкая стоимость.
2. Безопасность для человека (в отличие, к примеру, от рентгеновской дефектоскопии).
3. Возможность проведения выездной диагностики (благодаря наличию портативных ультразвуковых дефектоскопов).
4. Во время проведения УЗК не требуется выведения контролируемой детали или всего объекта из эксплуатации.
5. При проведении УЗД проверяемый объект не повреждается.

К основным недостаткам УЗК можно отнести:

1. Ограниченность полученной информации о дефекте;
2. Некоторые трудности при работе с металлами с крупнозернистой структурой, которые возникают из-за сильного рассеяния и затухания волн;
3. Необходимость проведения предварительной подготовки поверхности шва.

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:

• L – это длина волны;
• с – скорость ее перемещения;
• f – частота колебаний.

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.

Виды ультразвукового контроля

В настоящее время в промышленности применяются несколько способов ультразвуковой дефектоскопии сварных швов. Рассмотрим каждый из них.

1. Теневой метод диагностики. Это методика основана на использовании и сразу двух преобразователей, которые устанавливаются по разные стороны исследуемого объекта. Один из них излучатель, второй – приемник. Место установки – строго перпендикулярно исследуемой плоскости сварного шва. Излучатель направляет поток ультразвуковых волн на шов, приемник их принимает с другой стороны. Если в потоке волн образуется глухая зона, то это говорит о том, что на его пути попался участок с другой средой, то есть, обнаруживается дефект.
2. Эхо-импульсный метод. Для этого используется один УЗК дефектоскоп, который и излучает волны, и принимает их. При этом используется технология отражения ультразвука от стенок дефектных участков. Если волны прошли сквозь металл сварочного шва и не отразились на приемном устройстве, то дефектов в нем нет. Если произошло отражение, значит, внутри шва присутствует какой-то изъян.
3. Эхо-зеркальный. Данный ультразвуковой контроль сварных швов – это подтип предыдущего. В нем используется два прибора: излучатель и приемник. Только устанавливаются они по одну сторону от исследуемого металла. Излучатель посылает волны под углом, они попадают на дефекты и отражаются. Эти отраженные колебания и принимает приемник. Обычно, таким образом, регистрируют вертикальные дефекты внутри сварочного шва – трещины.
4. Зеркально-теневой. Этот ультразвуковой метод контроля – симбиоз теневого и зеркального. Оба прибора устанавливаются с одной стороны от исследуемого металла. Излучатель посылает косые волны, они отражаются от стенки основного металла и принимаются приемником. Если на пути отраженных волн не встретились изъяны сварного шва, то они проходят без изменений. Если на приемнике отразилась глухая зона, то, значит, внутри шва есть изъян.
5. Дельта-метод. В основе этого способа контроля сварных соединений ультразвуком лежит переизлучение дефектом направленных акустических колебаний внутрь сварного соединения. По сути, отраженные волны делятся на зеркальные, трансформируемые в продольном направлении и переизлучаемые. Приемник может уловить не все волны, в основном отраженные и движущиеся прямо на него. От количества полученных волн будет зависеть величина дефекта и его форма. Не самая лучшая проверка, потому что она связана с тонкой настройкой оборудования, сложность расшифровки полученных результатов, особенно, когда проверяется сварочный шов шириною более 15 мм. При проведении ультразвукового контроля качества металла этим способом предъявляются жесткие требования к чистоте сварочного шва.

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.

Как проводится ультразвуковая дефектоскопия

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.

• Производится зачистка сварного шва и прилегающих к нему участков на ширину 50-70 мм с каждой стороны.
• Чтобы получились более точные результаты на соединительный шов наносится смазочное средство. К примеру, это может быть солидол, глицерин или любой другое техническое масло.
• Производится настройка прибора по ГОСТ.
• Излучатель устанавливается с одной стороны и включается.
• С противоположной стороны искателем (приемником) производятся зигзагообразные перемещения вдоль сварного стыка. При этом прибор немного поворачивают туда-сюда вокруг своей оси на 10-15°.
• Как только на мониторе появится сигнал с максимальной амплитудой, то это вероятность, что в металле шва обнаружен дефект. Но необходимо удостоверится, что отражающий сигнал не стал причиной неровности шва.
• Если не подтвердилось, то записываются координаты изъяна.
• Согласно ГОСТ испытание проводится за два или три прохода.
• Все результаты записываются в специальный журнал.

Внимание! Контроль качества сварных угловых соединений (тавровых) производится только эхо-импульсным способом, теневой метод здесь не подойдет.

Параметры оценки результатов

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:

• амплитуда акустической волны;
• ее протяженность (условная);
• размеры дефекта и его форма.

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.

Достоинства и недостатки ультразвукового контроля труб

К достоинствам метода для контроля сварных швов можно отнести следующие критерии.

• Обследование проходит быстро.
• Диагностический результат высокий.
• Метод контроля сварных швов с помощью ультразвука – самый дешевый вариант.
• Он же и самый безопасный для человека.
• Устройство для контроля качества шва – портативный прибор, поэтому мобильность технологии обеспечивается.
• Ультразвуковая диагностика проводится без повреждения исследуемой детали.
• Нет необходимости останавливать оборудование или объект для того, чтобы провести контроль сварки.
• Можно проверять стыки нержавеющих металлов, черных и цветных.

Недостатки тоже есть.

• Контроль сварных соединений трубопроводов или других конструкций не дает точности по форме найденного дефекта. Все дело в том, что в трещинах или раковинах сварного шва могут присутствовать воздух (газ) или шлак. У двух материалов плотность разная, а значит, и разная отражательная способность.
• Сложно определить дефекты в деталях со сложной конфигурацией. Отправленные волны могут отразиться на другом участке шва, а не на исследуемом, за счет кривизны. А это выдаст некорректную информацию.
• Сложно провести ультразвуковой контроль труб, если металл, из которого они изготовлены, имеет крупнозернистую структуру. Внутри материала будет происходить рассеивания направленного потока и затухание отраженных волн.
• Важно ответственно подойти к очистке сварного шва. Его волнистость или загрязнение, ржавчина или окалины, капли разбрызганного металла или воздушные седла и поры на поверхности создадут преграду к получению правильных показателей, соответствующих ГОСТ.

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.