|
В строительной индустрии применяют трубы диаметром 28... 1420 мм с толщиной стенки 3...30 мм. По дефектоскопичности весь диапазон диаметров можно условно разделить на три группы:
- 28...100 мм и Н = 3...7 мм
- 108...920 мм и Н= 4...25 мм
- 1020...1420 мм и Н= 12...30 мм
Исследования, выполненные за последнее время в МГТУ им. Н.Э. Баумана, показывают, что при разработке методик ультразвукового контроля сварных стыков труб необходимо учитывать такой весьма важный фактор, как анизотропию упругих свойств материала труб.
Особенности анизотропии трубной стали.
При этом предполагается, что скорости распространения поперечных волн постоянны по сечению стенки трубы и не зависят от направления прозвучивания. Однако при УЗ-контроле сварных соединений магистральных газопроводов, изготовленных из отечественных и зарубежных труб, выявлены пропуск крупных корневых дефектов, неправильная оценка их координат, значительный уровень акустических шумов.
Установлено, что при соблюдении оптимальных параметров контроля и процедуры его проведения основная причина пропуска дефекта - наличие заметной анизотропии упругих свойств основного материала, влияющей на скорость, затухание и на отклонение от прямолинейности распространения ультразвукового пучка.
Прозвучивание металла более чем 200 труб по схеме, представленной на рис. 1, показало, что среднеквадратичное отклонение скорости волны при данном направлении распространения и поляризации составляет 2 м/с (для поперечных волн). Отклонения скоростей от табличных на 100 м/с и более не случайны и связаны, по-видимому, с технологией изготовления проката и труб. Такие отклонения существенно влияют на распространение поляризованных волн. Помимо описанной анизотропии, обнаружена 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
Листовой прокат имеет слоистую структуру (текстуру), которая представляет собой вытянутые в процессе деформации волокна металла и неметаллических включений. Кроме того, вследствие воздействия на металл термомеханического цикла прокатки неодинаковые по толщине зоны листа подвержены различным деформациям. Эти факторы приводят к тому, что скорость звука зависит дополнительно от глубины залегания прозвучиваемого слоя.
Контроль сварных швов труб различного диаметра.
Особенностью сварных швов труб диаметром 28... 100 мм с Н= 3...7 мм является образование провисаний внутри трубы, что обусловливает появление на экране дефектоскопа ложных эхо-сигналов от них при контроле прямым лучом, совпадающих по времени с эхо-сигналами, отраженными от надкорневых дефектов, обнаруженных однократно отраженным лучом.Поскольку эффективная ширина пучка соизмерима с толщиной стенки трубы, то отражатель обычно не удается идентифицировать по местоположению искателя относительно валика усиления. Имеет место также наличие неконтролируемой зоны в центре шва из-за большой ширины валика шва.Все это обусловливает низкую вероятность (10...12%) обнаружения недопустимых объемных дефектов, хотя недопустимые плоскостнные дефекты выявляются гораздо надежнее (~ 85 %). Основные параметры провисания - ширина, глубина и угол смыкания с поверхностью изделия - являются случайными величинами для данного типоразмера труб; средние значения составляют соответственно 6,5 мм; 2,7 мм и 56°30'.
Прокат ведет себя как анизотропная и неоднородная среда с достаточно сложными зависимостями скоростей упругих волн от направления прозвучивания и поляризации. Изменение скорости звука примерно симметрично относительно середины сечения листа, причем вблизи этой середины скорость поперечной волны может существенно (до 10 %) снижаться относительно окружающих областей. В общем скорость поперечной волны в исследуемых образцах меняется в диапазоне 3070...3420 м/с. На глубине до 3 мм от поверхности проката возможно незначительное (до 1 %) повышение скорости поперечной волны.
Помехоустойчивость контроля существенно возрастает при использовании наклонных раздельно-совмещенных ПЭП типа РСН (рис. 2), названных хордовыми, которые были разработаны в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Особенность контроля состоит в том, что при поиске дефектов не требуется поперечного сканирования, оно необходимо только по периметру трубы при прижатии к шву передней грани преобразователя.
Рис. 2. Наклонный хордовый РСН-ПЭП:
1- излучатель: 2 - приемник
Трубы диаметром 108...920 мм с Н = 4...25 мм также выполняют односторонней сваркой без обратной подварки. До последнего времени эти соединения контролировались совмещенными ПЭП по методике, изложенной для труб диаметром 28...100 мм. Однако известная методика контроля предусматривает наличие достаточно большой зоны совпадений (зоны неопределенности).Это приводит к тому, что достоверность оценки качества соединения незначительна. Кроме того, совмещенные ПЭП имеют высокий уровень реверберационных шумов, затрудняющих расшифровку сигналов, и неравномерность чувствительности, которую не всегда можно компенсировать имеющимися средствами. Применение хордовых раздельно-совмещенных ПЭП для контроля данного типоразмера сварных соединений нерационально, т.к. из-за ограниченности значений углов ввода ультразвуковых колебаний с поверхности сварного соединения габариты преобразователей несоразмерно растут, растет и площадь акустического контакта.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана разработаны наклонные ПЭП с выравненной чувствительностью для контроля сварных стыков диаметром более 100 мм. Выравнивание чувствительности обеспечивают выбором угла разворота 2 таким образом, чтобы середина и верхняя часть шва прозвучивались центральным однократно отраженным лучом, а нижняя часть - прямыми периферийными лучами, падающими на дефект под углом Y, от центрального. На рис. 3. представлен график зависимости угла ввода поперечной волны от угла разворота и раскрытия диаграммы направленности Y. В этих ПЭП падающая и отраженная от дефекта волны горизонтально поляризованные (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 видно, что при контроле изделий Н =25 мм неравномерность чувствительности РС-ПЭП достигает 5 дБ, тогда как для совмещенного ПЭП она достигает 25 дБ. РС-ПЭП имеет повышенный уровень сигнал - помеха и вследствие этого повышенную абсолютную чувствительность. Например, РС-ПЭП уверенно выявляется зарубка площадью 0,5 мм2 при контроле сварного соединения толщиной 10 мм как прямым, так и однократно отраженным лучом при отношении полезный сигнал/помеха 10 дБ.Процедура проведения контроля рассмотренными ПЭП такая же, как и совмещенным ПЭП.
Сварные стыки труб диаметром 1020...1420 мм с Н = 12... 30 мм выполняют двусторонней сваркой или с подваркой обратного валика шва. В швах, выполненных двусторонней сваркой, как правило, ложные сигналы от задней кромки валика усиления дают меньшую помеху, чем в односторонних швах. Они меньше по амплитуде вследствие более плавных очертаний валика и к тому же они дальше по развертке. Поэтому для дефектоскопии это наиболее благоприятный типоразмер труб. Однако исследования, выполненные в МГТУ им. Н.Э. Баумана, показывают, что металл этих труб имеет наибольшую анизотропию. Для того чтобы уменьшить влияние анизотропии на выявляемость дефектов рекомендуется использовать ПЭП на частоту 2,5 МГц с углом призмы 45°, а не 50°, как рекомендуется в большинстве нормативных документов на контроль аналогичных соединений. Наиболее высокая достоверность контроля получена при использовании ПЭП типа РСМ-Н12. В отличие от методики, изложенной для труб диаметром 28...100 мм, при контроле данных соединений отсутствует зона неопределенности. В остальном методика контроля остается такой же. При использовании РС-ПЭП настройку чувствительности и скорости развертки также целесообразно производить по вертикальному сверлению. Настройка чувствительности и скорости развертки наклонных совмещенных ПЭП должна выполняться по угловым отражателям соответствующего размера.
При контроле сварных швов следует иметь в виду, что в околошовной зоне возможны расслоения металла, затрудняющие определение координат дефекта. Зону, в которой обнаружен дефект наклонным ПЭП, следует дополнительно проконтролировать прямым ПЭП для уточнения характера дефекта и определения истинного значения глубины дефекта.
В нефтехимической и атомной промышленности и атомной энергетике для изготовления трубопроводов, сосудов и аппаратов широко используются плакированные стали. В качестве плакировки внутренней стенки таких конструкций используются аустенитные стали наносимые методом наплавки, прокатки или взрыва толщиной 5... 15 мм.
Технология контроля таких сварных соединений предусматривает оценку сплошности перлитной части сварного шва, включая зону сплавления с восстановительной антикоррозионной наплавкой. Сплошность тела самой наплавки контролю не подлежит.
Однако из-за отличия акустических свойств основного металла и аустенйтной стали от границы раздела при ультразвуковом контроле возникают эхо-сигналы, создающие помехи обнаружению дефектов, например, поднаплавочных трещин и отслоений плакировки. Кроме того, наличие плакировки и ее характеристики существенно влияют на параметры акустического тракта ПЭП.
Поэтому для контроля толстостенных сварных швов плакированных трубопроводов стандартные технологические решения не эффективны.
В результате многолетних исследований В.Н. Радько, В.С. Гребенника, В.Е. Белого, Н.П. Разыграева, Е.Ф. Кретова и др. выявлены основные особенности акустического тракта, сделаны рекомендации по оптимизации его параметров и разработана технология ультразвукового контроля сварных швов с аустенитной плакировкой.
В частности, в их работах установлено, что при переотражении пучка ультразвуковых волн от границы перлит-аустенитная плакировка диаграмма направленности практически не изменяется в случае плакировки прокаткой и сильно деформируется в случае выполнения плакировки наплавкой. Ее ширина резко увеличивается, а в пределах главного лепестка имеются осцилляции в 15...20 дБ в зависимости от способа наплавки. Имеет место существенное смещение точки выхода отражения от границы плакировки пучка по сравнению с его геометрическими координатами, а также изменение скорости поперечных волн в переходной зоне.
Учитывая эти эффекты, технология контроля сварных соединений плакированных трубопроводов предусматривает предварительное обязательное измерение толщины перлитной части (т.е. глубины проплавления антикоррозионной наплавки).
Для лучшего обнаружения плоскостных дефектов (трещин и несплавлений) предпочтительно использовать ПЭП с углом ввода 45° и на частоту 4 МГц. Лучшая выявляемость вертикально ориентированных дефектов на угле ввода 45° по сравнению с углами 60 и 70° объясняется тем, что при прозвучивании последними угол встречи пучка с дефектом близок к 3-му критическому, при котором коэффициент отражения поперечной волны минимален.
При прозвучивании снаружи трубы на частоте 2 МГц эхо-сигналы от дефектов экранируются интенсивным и длительным сигналом шума. Помехоустойчивость ПЭП на частоту 4 МГц в среднем на 12 дБ выше и поэтому полезный сигнал от дефекта, находящегося в непосредственной близости от границы наплавки, будет лучше разрешаться на фоне помех.
И наоборот, при прозвучивании изнутри трубы через наплавку лучшую помехоустойчивость обеспечивают ПЭП на частоту 2 МГц.
Технология контроля сварных швов трубопроводов с наплавкой регламентируется руководящим документом Госатомнадзора РФПНАЭГ-7-030-91.
|
Ультразвуковой контроль сварки
