Ввиду особо важной роли сварки при монтаже станционных трубопроводов выполненные сварные стыки подвергаются ряду специальных исследований и испытаний. Все виды испытаний сварных стыков трубопроводов делятся на лабораторные исследования образцов, вырезанных непосредственно из проверяемых стыков, и исследования, выполняемые на месте, без разрушения сварного стыка.
Лабораторные исследования сварных стыков трубопроводов выполняются в соответствии с требованиями Правил Госгортехнадзора, ряда ГОСТ и производственных инструкций монтажных организаций; исследования на месте предусматривают использование различных средств дефектоскопии. Существуют следующие приемы и способы дефектоскопии сварных швов трубопроводов:
а) Магнитная дефектоскопия, основанная на рассеянии магнитного поля исследуемых изделий в местах различных поверхностных или внутренних дефектов. Этот метод применим только для исследования ферромагнитных металлов (железо, никель, кобальт, углеродистые и легированные стали перлитного класса).
Известны два способа магнитной дефектоскопии: порошковый и приборный.
Порошковый способ заключается в том, что на поверхность намагниченного изделия разбрызгивается ферромагнитная суспензия или наносится сухой ферромагнитный порошок. Частицы суспензии или порошка, располагаясь вдоль магнитных силовых линий изделия, показывают дефектные места, в которых эти линии искажаются.
Этот способ дефектоскопии является весьма чувствительным и дает хорошие результаты при выявлении поверхностных дефектов стальных изделий (особенно, при контроле гладких, чистых и блестящих поверхностей); разрешающая способность этого вида магнитной дефектоскопии при выявлении глубинных дефектов весьма низка. Порошковый способ магнитной дефектоскопии применим для выявления поверхностных дефектов швов, сваренных автоматической или полуавтоматической сваркой.
В качестве порошка применяется магнетит Fe3O4, который получается в результате прокаливания замешанного на керосине железного сурика Fe2O3 в тиглях при температуре 650—800° С; суспензия получается путем разведения этого магнетита в масле (для исследования замасленных поверхностей) или в воде (для чистых поверхностей).
Приборный способ магнитной дефектоскопии основан на том, что магнитное поле изделия вызывает отклонение магнитной стрелки прибора, реагирующей на искажения этого поля в местах расположения различных дефектов. Действие приборов может быть основано на непосредственном воздействии магнитного поля на стрелку прибора, на индуктировании магнитным полем дефекта тока в катушке прибора при движении последнего через это поле, на возбуждении токов Фуко при намагничении исследуемого металла переменным током, на использовании так называемых магнитных зондов п т. д.
Существует значительное количество различных типов приборов для магнитной дефектоскопии металлов. Вместо магнитной стрелки некоторые из них указывают на дефекты отклонением луча в электроннолучевой трубке или производят запись на магнитную ленту.
б) Ультразвуковая дефектоскопия, основанная на использовании ультразвуковых колебаний. При частоте колебаний (1—6)·106 гц длина ультразвуковой волны получается от нескольких миллиметров до долей миллиметра, что обеспечивает высокую проницаемость этих колебаний и позволяет применять их для выявления всевозможных внутренних макродефектов металла. При частоте колебаний 107 гц и выше длина волны получается равной нескольким микронам, что дает возможность применять эти колебания для исследования дефектов микроструктуры. Ультразвуковые колебания распространяются в виде узкого направленного луча и проходят сквозь исследуемый металл со скоростью 4000-6000 м/сек. На границах перехода из одной среды в другую (например, в раковинах, трещинах, инородных включениях и др.) ультразвуковой луч преломляется, а от разделяющих эти среды граней он отражается. Эти особенности прохождения сквозь металлы ультразвуковых волн позволяют получать на экране ультразвукового дефектоскопа изображение дефекта, определять его характер, глубину залегания и т. и.
Источником ультразвуковых колебаний для дефектоскопов служит высокочастотный ламповый генератор с пьезоэлектрической пластинкой, превращающей электрические колебания в ультразвуковые. Пьезоэлектрическая пластинка может изготовляться из кварца, титаната бария или из сегнетовой соли. Для приема отраженного ультразвукового луча служит вторая пьезоэлектрическая пластинка с приемником, ламповым усилителем и индикатором, показывающим изображение принятого луча. Существуют следующие основные типы ультразвуковых дефектоскопов.
Ультразвуковые дефектоскопы с непрерывным излучением (теневые), в которых исследуемый предмет плотно зажимается между передающей и приемной пьезоэлектрическими пластинами. Ультразвуковые колебания передающей пластины проходят сквозь исследуемый предмет и, превратившись в приемной пластине в электрические колебания, направляются в приемник и далее на экран индикатора.
Дефект в металле, расположенный на пути прохождения ультразвукового луча, является препятствием для него, что и фиксируется в виде полной или частичной тени на экране дефектоскопа.
Чувствительность дефектоскопов данного типа зависит от плотности и толщины просвечиваемого металла и от чувствительности приемника. При увеличении толщины металла или зазора между ним и пластинками увеличивается рассеяние ультразвукового луча и, следовательно, понижается чувствительность прибора в целом.
Этот дефектоскоп удобен для исследований плоских деталей, имеющих доступ к своей поверхности с двух сторон, у которых может быть достигнуто плотное прилегание пьезоэлектрических пластин. Для деталей с круглыми поверхностями применение такого дефектоскопа возможно только при массовых исследованиях, оправдывающих изготовление профилированных пьезоэлектрических пластин.
Ультразвуковые дефектоскопы с приемом отраженных сигналов, позволяющие производить исследования металла при одностороннем доступе к его поверхности. В дефектоскопе этого типа передающая и приемная пьезоэлектрические пластины прижимаются к поверхности исследуемого изделия с одной стороны; ультразвуковой луч, войдя в металл и встретив в нем дефект, отражается и возвращается обратно в приемную пластину. Для увеличения рабочей мощности устройства в дефектоскопах данного типа применен импульсный генератор, подающий к пьезоэлектрической пластине серии кратковременных высокочастотных импульсов с большой энергией.
Ультразвуковые дефектоскопы с приемом отраженных сигналов позволяют уверенно обнаруживать дефекты в стали на глубине, начиная от 10 мм и до нескольких метров. Чувствительность дефектоскопов этого типа зависит от чувствительности приемника, а также от поглощения и рассеяния луча на пути от излучающей пластинки до дефекта и далее до приемной пластинки.
Резонансные ультразвуковые дефектоскопы применяются при одностороннем доступе к поверхности изделия. Для трубопроводов широкого применения эти приборы не получили.
В отличие от магнитной ультразвуковая дефектоскопия дает возможность определять глубинные пороки и дефекты независимо от магнитных свойств исследуемых материалов.
Ультразвуковое просвечивание сварных швов дает возможность выявить в них сравнительно крупные дефекты; мелкие дефекты (трещины и т. п.) этим способом дефектоскопии не обнаруживаются.
в) Рентгеновское просвечивание основано на сквозном просвечивании исследуемых металлов рентгеновыми лучами.
При облучении рентгеновы лучи проникают в металл; при этом они в определенной степени поглощаются и ослабляются. Лучи, обладающие большей энергией (жесткие излучения), проникают в металл на большую глубину; излучения меньшей энергии (мягкие излучения) поглощаются сильнее и проникают в сталь меньше.
Большинство рентгеновских установок для просвечивания металлов стационарны или слабо подвижны. Некоторые из них допускают визуальное наблюдение рентгенограммы, большинство же дает снимки на рентгеновской пленке.
Для повышения мощности рентгеновского излучения в последнее время появились так называемые бетатроны, представляющие собой рентгеновский аппарат с трубкой, выполненной в виде кольцевой вакуумной камеры, предназначенной для ускорения выходящего электронного потока.
Бетатрон — это стационарная установка, которая может сообщать электронному потоку большую энергию и обеспечивать просвечивание металлов толщиной 500 мм и более. Требуя для своей установки отдельного помещения, бетатрон может использоваться для просвечивания металлов только в заводских пли лабораторных условиях.
г) Просвечивание γ-лучами сходно по своему действию с просвечиванием рентгеновыми лучами и отличается от последнего лишь источником излучения. Источником γ- излучения служат искусственные радиоактивные изотопы (кобальт-60, иридий-192).
Активность излучения радиоактивных изотопов измеряется в условных единицах, называемых грамм-эквивалентом радия (г-экв). Активность в 1 г-экв радия равна активности излучения, развиваемого 1 г чистого радия. Производной от грамм-эквивалента является миллиграмм-эквивалент и т. д.
В зависимости от области применения источники γ-лучей делятся на следующие три вида:
источники с малой активностью (до 1 г-экв радия), пригодные для работы в любых условиях, включая транспортировку на большие расстояния всеми видами транспорта;
источники со средней активностью (от 1 до 5 г-экв радия) — для работы в цеховых и лабораторных условиях; транспортировка таких источников на большие расстояния затруднительна и допускается, как правило, лишь в пределах одного цеха или предприятия;
источники с большой активностью (более 5 г-экв радия) требуют громоздких приспособлений для биологической защиты, а при транспортировке даже внутри цеха—применения специальных транспортных средств.
В связи с вредным воздействием γ -лучей на живые организмы их источники необходимо хранить в специальных контейнерах или свинцовых ампулах, заключенных в стальном кожухе. Ампулы снабжаются длинной рукояткой, позволяющей располагать их при просвечивании как снаружи, так и изнутри труб.
При 7-просвечивании сварных стыков у труб с внутренним диаметром 200 мм и более источник излучения вводят внутрь трубы через открытый торец или через специально просверленное отверстие, которое после исследования заваривают, а снаружи трубу обкладывают кассетами с фотопленкой. При исследовании труб меньших диаметров источник излучения помещают вне трубы и облучают ее из трех-четырех мест по окружности, подкладывая каждый раз кассету с фотопленкой с противоположной стороны трубы. При просвечивании труб снаружи из ампулы вынимают одну или две пробки; при просвечивании изнутри из ампулы вынимают весь источник излучения.
В отличие от рентгеновского метода дефектоскопии, дающего благодаря точечным размерам источника излучения резкие изображения дефектов, источник γ-лучей обладает значительными размерами, что обусловливает получение менее четких изображений дефектов с полутенями. Это обстоятельство, а также биологическая вредность в сильнейшей степени суживают область применения γ-дефектоскопии в трубопроводах.
д) Люминесцентный метод дефектоскопии основан на свойстве некоторых веществ (люминофоры) испускать видимое свечение под действием предварительного облучения невидимыми лучами.
Для определения дефектов на изделиях на них наносят люминесцирующее вещество, проникающее в трещины, полости и прочие поверхностные дефекты металла. После облучения поверхности обработанного таким образом изделия рентгеновыми, ультрафиолетовыми или γ-лучами люминофор начинает светиться и поверхностные дефекты изделия становятся видимыми.
е) Цветной метод выявления поверхностных дефектов заключается в том, что на поверхность исследуемого изделия наносят слой подкрашенной жидкости, которая проникает в поверхностные трещины и другие пороки металла. Подготовленную таким образом поверхность изделия покрывают специальным порошком, который абсорбирует жидкость из поверхностных трещин и обнаруживает места их расположения и форму. Этот метод удобен для поверхностной дефектоскопии сварных стыков в монтажных условиях, так как он не требует никакого оборудования. В качестве подкрашивающей жидкости применяется смесь керосина (80%), трансформаторного масла (15%), скипидара (5%) и краски «Судан-3» (приблизительно 10 г на 1 л жидкости). Абсорбирующим порошком для этого красителя служит раствор 600-700 Г каолина в 1 л воды, наносимый на обработанную исследуемую поверхность изделия пульверизатором и затем высушиваемый теплым воздухом.
Осмотр производится через 3-5 мин после высыхания каолина, а вторичный осмотр — через 20-30 мин после первого. Все обнаруживаемые дефекты исследуемого изделия за это время успевают проявиться в виде ярких изображений, окрашенных в красный цвет.
При помощи цветной дефектоскопии удается обнаружить поверхностные трещины на изделии с раскрытием не менее 0,01 мм и при глубине не менее 0,03-0,04 мм.
5. ИСПЫТАНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Перечисленные способы дефектоскопии позволяют выявлять целый ряд внутренних и поверхностных дефектов и пороков металла и сварных стыков трубопроводов. Однако эти методы исследования не дают полной гарантии выявления всех дефектов. Поэтому правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды Госгортехнадзора предписывается обязательное проведение следующих видов испытаний сварных стыков трубопроводов:
а) Внешний осмотр в соответствии с ГОСТ 3242-54 всех сварных соединений трубопроводов с последующим гидравлическим испытанием.
Внешний осмотр производится для выявления наружных непроваров, наплавов, прожогов, незаверенных кратеров, подрезов, наружных трещин в швах или зонах термического влияния, пористости, смещения свариваемых элементов, переломов оси трубопровода в месте расположения шва, а также для проверки правильности формы и размеров сварных швов и их соответствия чертежам, нормалям, техническим условиям или стандартам.
б) Механические исследования образцов, вырезанных из контрольных стыков или сварных соединений трубопроводов, на растяжение, загиб и ударную вязкость (последнее только для категорий трубопроводов I и IIб при толщине стенки 12 мм и более) согласно ГОСТ 6996-54. Результаты механических испытаний образцов должны удовлетворять требованиям, указанным в таблице на стр. 59.
в) Металлографические исследования образцов, вырезанных из контрольных стыков или сварных соединений трубопроводов категорий I и IIб. Качество сварки по результатам металлографических исследований должно удовлетворять следующим требованиям.
Примечание. Все показатели для сварных соединений труб из сталей других типов должны согласовываться в каждом отдельном случае с Госгортехнадзором.
По макроисследованиям
- Отсутствие трещин и газовых пор в наплавленном и основном металле и в зоне термического влияния.
- Отсутствие несваренных мест между слоями швов или между наплавленным металлом и кромками разделки.
- Отсутствие пор и шлаковых включений.
По микроисследованиям
- Отсутствие микротрещин в металле.
- Отсутствие в металле структурных составляющих, которые могут резко снизить пластичность и вязкость металла.
г) Просвечивание сварных стыков изделий трубопроводов рентгеновыми или "( -лучами. Этому виду исследования подвергаются:
- сварные стыки трубопроводов категорий I и Пб в количестве 5% общего числа сваренных каждым сварщиком стыков труб наружным диаметром более 108 мм;
- сварные стыковые швы штуцеров, вваренных в трубопроводы категорий от Iв до IV с наружным диаметром труб более 108 мм, а также сварные тройники тех же категорий при соотношении наружных диаметров отвода и основной трубы, превышающем 0,6.
