книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений
..pdf•вероятностью появления ложных сигналов от конструк тивных элементов соединения (неблагоприятная геомет рия, конструктивные зазоры, наличие приварных элемен тов и т.п.).
Полнота прозвучивания является количественным критерием контроледоступности и может оцениваться коэффициентом
F =S /S '* m % ,
где У - плоишь прозвучеиного сечения; S - площадь наплавленного металла и зоны термического влияния с обеих сторон шва.
Поскольку нормы оценки качества основного металла (листа, трубы), как правило, слабее, чем нормы оценки качества сварного соединения, то для исключения проблем с оценкой контроледо ступности и унификации оценки качества для большинства от ветственных объектов Госгортехнадзором и Госатомнадзором РФ стандартизированы границы сварного соединения. В их пределах металл контролируется и оценивается по нормам, действующим для сварных швов. При этом ширина контролируемой и оцени ваемой зоны основного металла - В определяется от границы
разделки шва под сварку и составляет:
а) не менее 5 мм для стыковых сварных соединений, выпол няемых дуговыми способами сварки; не менее номинальной тол щины свариваемых деталей при их толщине от 5 до 20 мм вклю чительно; не менее 20 мм при номинальной толщине свариваем мых деталей свыше 20 мм;
б) не менее 3 мм независимо от толщины для угловых и тор цевых сварных соединений и вварки труб в трубные решетки, выполняемых дуговыми способами сварки;
в) не менее 50 мм независимо от толщины для сварных со единений, выполненных электрошлаковой сваркой.
Всварных соединениях деталей различной номинальной толщины ширина указанной зоны определяется отдельно для ка ждой из сварных деталей.
Всамом общем виде функция F зависит от следующих пере
менных: наличия и величины валика усиления (для стыковых соединений) или катета сечения (для нахлесточных и угловых соединений), толщины стыкуемых элементов, ширины околошовной зоны и доступности прозвучивания всего сечения соеди нения, угла ввода, эффективной ширины УЗ-пучка (рис. 7.2).
Оптимальной, с точки зрения полноты прозвучивания, будет такая схема, при которой F = 1.
Рис. 7.2. Номограмма для выбора параметров ПЭП в зависимости от конструкции и типоразмера соединений:
У- Р = 53°,/= 5 МГц; п - 5 мм; 2 - р = 50°,/= 2,5 МГц; п = 10 мм; 3 - р = 50°,/= 2,5 МГц; л = 23 мм; 4 - 0 = 40°,/= 2,5 МГц; л = 14 мм; 5 - р = 40°,/= 1,8 МГц; л = 24 мм; б - р = 30°,/= 2,5 МГц; л = 14 мм;
7 - р = 30°,/= 1,8 МГц; л = 24 мм
Оценка влияния каждого из независимых переменных и их реальных комбинаций представляет весьма трудоемкую задачу и является основой создания оптимальной методики контроля [67]. Например, совокупность направлений прозвучивания данного сварного соединения определяется выбором наиболее благопри ятного угла встречи (ракурса озвучивания) УЗ-луча с плоскост ным дефектом, поэтому базируется на основе вероятностных оценок распределения плоскостных дефектов по ориентации и местоположению, полученных из статистического анализа.
Для исключения вольного толкования термина полнота про звучивания при выполнении производственного контроля и бази
руясь на постулате, что официально утвержденная методика яв ляется оптимальной, в ряде отраслей промышленности введены степени (градации) контроледоступности шва, выраженные через возможность обеспечения полноты прозвучивания в предписан ных методиками направлениях.
В РД 34.17.302 - 97 (ОП № 501 ЦД-97), регламентирующим технологию контроля и нормы оценки качества соединений тру бопроводов и сосудов тепловых электростанций, установлены следующие степени контроледоступности в порядке ее снижения:
1 ДК - центральный луч УЗ-пучка пересекает каждый эле мент (точку) контролируемого сечения, как минимум, с двух на правлений;
2 ДК - центральный луч УЗ-пучка пересекает каждый эле мент (точку) контролируемого сечения хотя бы с одного направ ления;
3 ДК - имеются элементы контролируемого сечения, не пере секаемые центральным лучом УЗ-пучка при регламентированной схеме контроля ни по одному из направлений. При этом площадь непрозвучиваемых участков не превышает 20 % от общей пло щади контролируемого сечения и они находятся только в подпо верхностной части сварного соединения.
Сварное соединение считают неконтроледоступным, если центральный луч УЗ-пучка не пересекает все элементы контро лируемого сечения ни по одному из направлений прозвучивания, кроме подповерхностного слоя, или площадь непрозвучиваемых участков превышает 20 % от общей площади контролируемого сечения.
Направления считаются разными, если угол между централь ными лучами УЗ-пучков волн одного типа (моды) отличается не менее чем на 35°
Ограниченная возможность контроля на выявление попереч но-ориентированных дефектов (поперечных трещин) не изменяет степень контроледоступности сварного соединения.
Следует заметить, что в швах существуют участки, полно ценный контроль которых из-за конструктивных особенностей заведомо невозможен. Эти участки не классифицируются при оценке контроледоступности:
•места пересечения швов с неудаленной выпуклостью (ва ликом усиления);
•краевые участки незамкнутых сварных соединений в пре делах ширины LKзоны, определяемой большей из величин
А, = л/ЦЗЖ; I. = Д»/2,
где Н - номинальная толщина свариваемых элементов; Дп - диаметр или ширина
пьезоэлемента в дополнительной плоскости; Я,- длина волны;
•Сварные соединения труб с внутренней расточкой, если длина цилиндрической части расточки менее
Lp =Н tga + Ы2 + В + 5,
где a - угол ввода; Ъ- ширина усиления шва; В - ширина околошовной зоны, подлежащей контролю по нормам оценки сварных соединений;
•сварные соединения с конструктивным непроваром за ис ключением случаев, если размеры исключаемого из кон троля сечения не превышают 3 % от общей площади кон
тролируемого сечения.
Степень контроледоступности может быть повышена путем изменения конструкции соединения или сварного узла, снятия усиления, расширения зоны перемещения ПЭП, обеспечения до полнительного доступа ПЭП к сварному шву, изменения схемы прозвучивания.
При этом нельзя переоценить роль совместного сотрудничест ва конструкторов и неразрушенцев при проектировании оборудо вания. Хорошим примером этому является переработка первона чально недефектоскопичной конструкции сварного ротора диамет ром 800 мм с очень малой шириной околошовной зоны (рис. 7.3). В предложенном первоначально варианте конструкции корневая зона шва практически не прозвучивапась. В то же время наиболее опасные дефекты - трещины возникали именно в этой зоне.
Р и с . 7 , 3 . С х е м а п р о з в у ч и в а н и я к о р н е в о й з о н ы ш в а р о т о р а т е н е в ы м м е т о д о м :
а - с п е р е о т р а ж е н и е м о т « з е р к а л а » ; б - о с ц и л о г р а м м а ; в- к о р р е л я ц и я м е ж д у а м п л и т у д о й с и г н а л а Ч ', п р о ш е д ш е м у п о п у т и Ч , и в ы с о т о й т р е щ и н ы /? , м м
Для полного прозвучивания корневой зоны В.И. РыжовымНиконовым, В.А. Воронковым и О.Н. Щербаковым (ЦНИИТМАШ) было предложено видоизменение конструкции с создани ем акустического «зеркала». Такое изменение конструкции сде лало ее полностью дефектоскопичной.
В действующем в атомной энергетике руководящем докумен те ПНАЭ Г-7-030 - 91 критерии контроледоступности более строгие. Для сварных соединений устанавливаются следующие степени контроледоступности в порядке ее снижения (рис. 7.4):
1C - центральный луч УЗ-пучка пересекает каждый элемент металла контролируемого сечения сварного соединения в двух или более направлениях (с точностью до половины шага сканирова ния), проходящих через секторы Б или Б', и В или В', и А или А';
2С - центральный луч УЗ-пучка пересекает каждый элемент металла хотя бы в одном направлении, проходящем через секто ры Б или Б', В или В';
ЗС - частично или полностью не выполняется прозвучивание по каждому из направлений, предусмотренных для степени 1C. Центральный луч УЗ-пучка пересекает каждый элемент металла в направлении, проходящем через секторы А или А';
•сварное соединение считают неконтроледоступным, если центральный луч УЗ-пучка ни по одному из направлений не проходит через все элементы металла*контролируемого сечения;
•возможность контроля на выявление поперечных дефектов не изменяет степень контроледоступности сварного соеди
нения, определенную выше.
Контроль сварных соединений труб с внутренней расточкой однажды отраженным лучом возможен, если длина цилиндриче ской части расточки не менее Lp.
При меньших размерах расточки контроль проводят только прямым лучом при удаленном усилении.
Трещины в сварных соединениях ориентированы преимуще ственно вертикально, а в горизонтальной плоскости - вдоль оси шва; угол наклона несплавлений определяется конфигурацией разделки сварного соединения.
Некоторые отклонения в режиме сварки, например увеличе ние скорости, приводят к образованию трещин, ориентированных в горизонтальной плоскости почти строго под углом 45° к оси шва. Поэтому для обеспечения достоверности контроля необхо димо изучение реальных дефектов и статистики их появления в зависимости от параметров сварочного процесса и конструкции конкретного шва.
Рис. 7.4. Схема для определения степени контролсдостулмости
сварного соединения; |
направления озвучивания |
Усиление сварного шва существенно влияет на достовер ность контроля. Если усиление велико, то в ряде случаев при контроле швов малых толщин невозможно прозвучить корень шва осью УЗ-пучка. В МГТУ им. Н.Э. Баумана показано, что в соединениях толщиной 7 мм наличие усиления шва приводит к занижению средней эквивалентной площади дефекта на 2 мм2, увеличивает недобраковку в 3,5 раза.
Для контроля обычно применяют прозвучивание эхометодом: только прямым лучом, прямым и однократно отражен ным лучом, многократно отраженным лучом, по слоям (по со вмещенной схеме включения в дефектоскоп); а также эхо зеркальным, зеркально-теневым методами и дельта-методом (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Способы прозвучивання сварных соединений:
а - прямым лучом; б - прямым и однократно-отраженным лучом; s - многократ но-отраженным лучом; г - по слоям; д - эхо-зеркальным способом («тандем»); <*- зеркально-теневым; ж - дельта-методом
Способ прозвучивания прямым лучом (рис 7.5а) является
основным способом контроля. ПЭП при прозвучивании прямым лучом перемещается в околошовной зоне между валиком усиле ния шва (точка 1) и точкой 2, расположенной от оси шва на рас стоянии х2 = Htga.+bf2. Способ наиболее помехоустойчив, т.е.
при его применении наблюдается минимум ложных эхо-сигналов от каких-либо элементов конструкции в зоне соединения (при варных косынок или штуцеров, различных выфрезеровок валика усиления и т.п.). Недостатком его является наличие «мертвой зоны», вызванной тем, что преобразователь упирается в валик усиления шва. Для плоских соединений размер «мертвой зоны»
Ни может быть найден из выражения: # м = (b/2 +п0) ctga.
Следовательно, условием пересечения всего объема шва осью ультразвукового пучка, т.е. условием полного прозвучивания, является bj2 < Н tga - w0.
При контроле необходимо выбирать такие параметры ПЭП (угол ввода а и стрелу п0), чтобы Ям была минимальна [54].
Для особо ответственных изделий и в случае выявления неблаго приятной статистики распределения дефектов под валиком верх нюю часть шва целесообразно прозвучивать преобразователем с углом р = 53...55° или поверхностными волнами (см. далее).
Способ применяется для контроля швов всех толщин, являет ся единственно пригодным для прозвучивания также швов тол щиной 3,5... 10 мм, выполненных односторонней сваркой с про плавлением, дефекты в которых находятся в корне. В последнем случае ПЭП обычно перемещается только вдоль шва.
Контроль прямым и однократно отраженным лучом осу ществляется при перемещении ПЭП между точками 1...S (рис.
7.3б), позволяет вести контроль с одной стороны изделия, а также прозвучивать мертвую зону. ПЭП при прозвучивании прямым и однократно отраженным лучом перемещают вдоль линии, от стоящей от оси шва на расстоянии х'2 = 2 # tg a + b /2 .
Недостаток этого способа - зависимость предельной чувстви тельности к дефектам, берущимся отраженным лучом, от состоя ния поверхности. Поэтому, в частности, если сосуд заполнен жидкостью, то перед контролем она должна быть удалена.
Контроль многократно отраженным лучом сопровождает ся большим числом ложных сигналов от валика усиления шва и
является наименее помехоустойчивым. Применение его ограни чивается случаями, когда не имеется доступа непосредственно к шву (например, стыковое соединение с обеих сторон закрыто приварными накладками).
Контроль по слоям обладает наибольшей достоверностью. Он заключается в том, что прозвучивание производят любым из перечисленных способов, но эхо-сигналы фиксируют только на определенном рабочем участке развертки Д/,, выделяемом путем стробирования (рис. 7.5г). Способ помехоустойчив, позволяет уменьшить ошибки в оценке дефектов благодаря тому, что пре дельная чувствительность при контроле устанавливается для ка ждого слоя отдельно. Но, естественно, обладает наименьшей производительностью, поэтому наиболее эффективно его приме нение для контроля швов толщиной более 50...60 мм.
Эхо-зеркальный метод («тандем») в наиболее распростра ненном варианте заключается в одновременном прозвучивании шва двумя ПЭП, расположенными с одной стороны шва и син хронно перемещающимися в разные стороны относительно оси симметрии ( ООх, рис. 7.5д). Как показано в гл. 2, сумма расстоя
ний ПЭП от оси шва хх+ х2 - const и время t прихода сигналов,
зеркально отраженных от дефектов и внутренней поверхности изделия, постоянны (для данной толщины Н) (97,122]. Последнее
существенно облегчает контроль, т.к. эхо-сигнал от любого де фекта будет находиться строго на данном участке развертки, ко торый легко застробировать. ПЭП могут включаться по раздель ной иди раздельно-совмещенной схеме [97]. В последнем случае регистрируются дополнительные эхо-сигналы, отраженные об ратно к каждому из ПЭП.
В последнее время эффективно используется эхо-зеркальный метод с трансформацией поперечных волн на дефекте и регист рацией переотраженной от дна продольной волны. Этот метод позволяет уменьшить ширину зоны сканирования (рис. 3.14в).
Зеркально-теневой и теневой способы (рис. 7.5е) могут быть рекомендованы только для выявления относительно грубых дефектов. Прозвучивание выполняется двумя ПЭП, включенны ми по раздельной схеме, размещенными с обеих сторон шва на встречу друг другу.
Дельта-метод основан на регистрации волн, дифрагирован ных или дифрагированных и трансформированных на краях де фекта (гл. 2). Схема его приведена на рис. 7.5ж. При облучении
дефекта поперечной волной на его краях возникают дифрагиро-
Способ прозвучивания прямым лучом (рис 7.5а) является
основным способом контроля. ПЭП при прозвучивании прямым лучом перемещается в околошовной зоне между валиком усиле ния шва (точка 7) и точкой 2, расположенной от оси шва на рас стоянии х2 —77tga+ 6/2. Способ наиболее помехоустойчив, т.е.
при его применении наблюдается минимум ложных эхо-сигиалов от каких-либо элементов конструкции в зоне соединения (при варных косынок или штуцеров, различных выфрезеровок валика усиления и т.п.). Недостатком его является наличие «мертвой зоны», вызванной тем, что преобразователь упирается в валик усиления шва. Для плоских соединений размер «мертвой зоны» Я м может быть найден из выражения: Ям = (6/2+я0 )ctga .
Следовательно, условием пересечения всего объема шва осью ультразвукового пучка, т.е. условием полного прозвучивания, является 6/2 < Я tga - nQ.
При контроле необходимо выбирать такие параметры ПЭП (угол ввода а и стрелу л0), чтобы Ям была минимальна [54]. Для особо ответственных изделий и в случае выявления неблаго приятной статистики распределения дефектов под валиком верх нюю часть шва целесообразно прозвучивать преобразователем с углом Р = 53...55° или поверхностными волнами (см. далее).
Способ применяется для контроля швов всех толщин, являет ся единственно пригодным для прозвучивания также швов тол щиной 3,5..Л0 мм, выполненных односторонней сваркой с про плавлением, дефекты в которых находятся в корне. В последнем случае ПЭП обычно перемещается только вдоль шва.
Контроль прямым и однократно отраженным лучом осу ществляется при перемещении ПЭП между точками J...3 (рис.
7.36), позволяет вести контроль с одной стороны изделия, а также прозвучивать мертвую зону. ПЭП при прозвучивании прямым и однократно отраженным лучом перемещают вдоль линии, от стоящей от оси шва на расстоянии х'2 = 2Я tga+ 6/2.
Недостаток этого способа - зависимость предельной чувстви тельности к дефектам, берущимся отраженным лучом, от состоя ния поверхности. Поэтому, в частности, если сосуд заполнен жидкостью, то перед контролем она должна быть удалена.
Контроль многократно отраженным лучом сопровождает ся большим числом ложных сигналов от валика усиления шва и