Лантух В. М.
Акустический контроль достаточно эффективен при обнаружении несплошностей в сварных соединениях энергооборудования, выполненных из углеродистых и перлитных сталей. Однако использование традиционных средств и технологий акустического контроля аустенитных сварных соединений ограничено из-за наличия высокого уровня эхосигналов от структуры соединения (структурных помех) и значительного коэффициента затухания акустических колебаний в шве.
С применением серийных дефектоскопов оптимизация условий контроля сводится в основном к локализации контролируемого объема аустенитного соединения, оптимальному выбору направления прозвучивания, частоты заполнения зондирующего акустического импульса и типа волны. Локализация контролируемого объема металла может быть достигнута сокращением длительности зондирующего акустического импульса и создания фокусирующего акустического пучка или узкого слаборасходящегося пучка, формируемого нестандартными преобразователями с периферийными кольцевыми электродами на пьезоэлементе [1,2].
Совмещенный наклонный преобразователь на поперечные волны, в отличие от раздельно-совмещенного с использованием продольных волн, позволяет (с учетом наличия валика усиления шва, околошовных неровностей и относительно малых диаметров трубопроводов) применить один преобразователь для контроля всего сечения соединения и упростить расшифровку информации, получаемой при проведении контроля. Однако с целью повышения помехоустойчивости М = Ак - Ап (А ш) контроля (отношение амплитуды Ак полезного эхо- сигнала от контрольного отражателя к максимальной амплитуде Ап помехи или среднему уровню структурных шумов Аш) аустенитных соединений рекомендуется использовать продольные волны [3, 4]. При этом из-за трансформации волн достоверная информация о наличии неплотности в металле может быть получена только при контроле прямым лучом.
Проведенные исследования [5] показали, что при контроле поперечными волнами однократно отраженным лучом верхней части сечения сварного аустенитного соединения основным фактором, вызывающим появление ложных эхосигналов, является преломление лучей на линии сплавления или на границе верхнего слоя с нормально ориентированными к верхней поверхности областями кристаллитов. Причем, в основном происходит преломление боковых лучей диаграммы направленности волнового поля, сформированного преобразователем в основном металле соединения.
Интенсивные структурные помехи возникают при условии нормального падения преломленных лучей на верхнюю поверхность наплавленного металла соединения. Амплитуду и число указанных структурных помех возможно существенно снизить путем трансформации преломленных волн в нормальную симметричную волну нулевой моды, распространяющейся в расположенной на поверхности соединения пластине [5]. В [2, 5] также показано, что формируемые структурные помехи в корневой части шва и ложные эхосигналы от допустимого провисания корня шва не препятствуют проведению достоверного акустического контроля соединений поперечными волнами.
На основании полученных результатов исследований акустических характеристик аустенитных соединений [2, 5] с использованием поперечных волн были разработаны технологии контроля стыковых [6] и угловых [7] соединений трубопроводов электростанций для условия, когда оба стыкуемых элемента являются аустенитными. Однако в оборудовании электростанций имеются также и стыковые соединения, один из элементов которых является перлитным, а другой - изготовлен из аустенитной стали. Например, в котлах БКЗ-210 соединения труб поверхностей нагрева в зонах гнутых выходных участков змеевиков перегревателя выполняют из элементов толщиной 4,5 мм и наружным диаметром 32 мм, один из которых изготовлен из аустенитной I2X18H12T, а другой - из перлитной стали 12Х1МФ.
Таким образом, основной целью данной работы является проведение акустических исследований и разработка технологий контроля сварных соединений трубопроводов электростанций, в которых кроме наплавленного аустенитными электродами металла шва имеется основной металл, изготовленный из аустенитной и перлитной сталей (композитное сварное соединение).
Известно, что скорость акустических колебаний в аустенитном элементе соединения ниже, чем в прокатанном перлитном. Поэтому при одинаковом угле призмы преобразователя угол ввода акустического луча в металл аустенитного элемента будет меньше утла ввода луча в перлитный элемент.
Рис. 1. Стандартный образец предприятия:
а - с зарубкой; б - с угловым цилиндрическим отражателем; 1 - основной металл стыкуемого элемента; 2 - сварной шов; 3 - угловой цилиндрический отражатель; 4 - зарубка шириной 2 мм; 5 - ось симметрии сварного шва; 6 - ход акустических лучей; А - амплитуды эхосигналов
Поэтому для использования преобразователя с одинаковым углом призмы с целью осуществления контроля корневой части шва прямым лучом следует сначала определить угол ввода луча в аустенитный элемент. Конструкция указанного сварного соединения соответствует типу Тр-2 с углом разделки кромки 30° и наличием валика усиления шва.
Экспериментальные исследования [8] показали, что для указанной конструкции соединения угол ввода луча поперечных волн в аустенитный элемент должен быть не менее 70° (в перлитном элементе он возрастает на 2 - 3°). При этом в процессе контроля корневой части шва с использованием частоты акустических колебаний 5 МГц достигается помехоустойчивость контроля не ниже 6 дБ (отношение амплитуды эхосигнала от искусственного плоскодонного отражателя площадью 1,2 мм2 к максимальной амплитуде структурной помехи).
Для реализации акустического контроля всего поперечного сечения соединения на основе полученных результатов исследований [8] была разработана технология [9], обеспечивающая обнаружение трещин и других плоскостных и объемных несплошностей в основном металле (околошовной зоне) ЗТВ и наплавленном металле шва с чувствительностью не хуже эквивалентной отражательной способности искусственного отражателя типа “зарубка” с размерами 2x1,1 мм.
Указанный отражатель по отражательной способности эквивалентен плоскодонному отражателю площадью 1,2 мм2.
Технология контроля предусматривает применение серийных дефектоскопов (например, УД2-12), преобразователей и стандартных образцов предприятия (СОП). Преобразователи, кроме указанных акустических параметров, должны иметь: ширину углового захвата не более 11° на уровне 6 дБ последовательности амплитуд эхосигналов от бокового цилиндрического отражателя диаметром 6 мм, залегающего на глубине 15 мм в стандартном образце № 2 по ГОСТ 14782, при перемещении преобразователя вдоль образца; стрелу 7 мм и ширину рабочей поверхности не более 8 мм. Изготавливают СОП по аналогичной технологии из стали того же структурного класса с толщиной Н, что и контролируемое соединение (рис. 1). Для настройки чувствительности контроля в СОП на основном металле 1 выполняют зарубку 4 (рис. 1, а) или с целью упрощения изготовления и метрологического обеспечения отражателя применяют угловой цилиндрический отражатель 3 (рис. 1,6).
Угловой цилиндрический отражатель диаметром 5 мм по отражательной способности эквивалентен плоскодонному отражателю площадью 1,2 мм2 при указанных акустических характеристиках преобразователя.
Для настройки скорости развертки и временной регулировки чувствительности (ВРЧ) дефектоскопа в наплавленном металле шва 2 выполняют угловой цилиндрический отражатель 3. При этом ось симметрии отражателя (сверления) смещают относительно оси 5 симметрии сварного шва на 2,5 мм со стороны аустенитного или перлитного элементов.
Настройку скорости развертки производят по отражателям в наплавленном металле СОП. Для настройки скорости развертки при контроле со стороны аустенитного или перлитного элементов используют прямой и однократно отраженный лучи.
Прямым лучом фиксируют максимальную амплитуду А1 эхосигнала от нижней части отверстия 3 и устанавливают амплитуду эхосигнала на стандартный уровень экрана дефектоскопа (средняя горизонтальная линия экрана). Передний фронт строб-импульса устанавливают левее переднего фронта эхосигнала. Далее однократно отраженным лучом фиксируют максимальную амплитуду А2 эхосигнала от верхней части отверстия 3 и устанавливают амплитуду эхосигнала на стандартный уровень. Задний фронт строб-импульса устанавливают правее заднего фронта эхосигнала.
Настройку чувствительности контроля проводят для обеспечения выявления несплошностей в сварном соединении, подлежащих регистрации.
При настройке устанавливают следующие уровни чувствительности: браковочный, на котором оценивают максимально допустимую эквивалентную площадь обнаруженной несплошности, соответствующую плоскодонному отражателю площадью 1,2мм2; контрольный, на котором измеряют условную протяженность несплошности и фиксируют амплитуды (контрольный уровень ниже браковочного на 6 дБ); поисковый, на котором сканируют сварное соединение (поисковый уровень ниже контрольного).
