Контроль проводят контактным способом, перемещая преобразователь по поверхности изделия вручную путем сканирования наклонного преобразователя по поверхности сваренных элементов вдоль их образующей в пределах от механического контакта передней грани преобразователя с валиком усиления шва до расстояния 60 мм. И далее с помощью возвратно-поступательного перемещения наклонного преобразователя в направлении от шва и к шву с последовательным смещением вдоль периметра шва на шаг, не превышающий половины ширины углового захвата преобразователя. Перед началом контроля устанавливают преобразователь со стороны аустенитного или перлитного элементов на поверхность СОП, настраивают скорость развертки и фиксируют на экране дефектоскопа рабочую зону контроля. С помощью ВРЧ дефектоскопа устанавливают амплитуду А2, равную амплитуде А1 эхосигнала, отраженного от нижней части сверления в наплавленном металле шва.
Далее, соответственно со стороны аустенитного или перлитного элементов прямым лучом фиксируют максимальную амплитуду Aб эхосигнала от отражателя в СОП (см. рис. 1). Амплитуду эхо- сигнала устанавливают на стандартный уровень. В этом случае стандартный уровень равен браковочному уровню чувствительности. После указанных операций на контрольном уровне чувствительности определяют прямым лучом условную протяженность отражателя в основном металле СОП и проводят сканирование контролируемого сварного соединения соответственно со стороны аустенитного или перлитного элементов.
В процессе сканирования сварного соединения на экране дефектоскопа возможно появление ложных эхосигналов. Ложный эхосигнал однократно отраженным лучом может быть получен от поверхности валика усиления шва. Указанное формирование эхосигнала зависит от конфигурации валика усиления шва и акустической анизотропии конкретного участка соединения. Принадлежность эхо- сигнала указанному отражателю может быть определена путем демпфирования концом иглы, смоченным контактной средой, поверхности валика усиления шва. Если отражателем служит поверхность валика шва, то при прикосновении иглы амплитуда эхосигнала несколько снижается. Дополнительной информацией может служить местоположение эхосигнала на экране дефектоскопа (эхо- сигнал располагается в районе заднего фронта строб-импульса), а также условная протяженность. Последняя должна быть меньше значений, определенных для отражателя в СОП.
В сомнительных случаях следует валик усиления шва на контролируемом участке механически обработать с плавным переходом от основного металла к вершине наплавленного металла и провести повторный контроль.
От валика усиления может также отражаться поверхностная волна. В этом случае эхосигнал меняет свое положение на экране дефектоскопа при перемещении преобразователя относительно сварного шва. Снижается также амплитуда эхосигнала при прикосновении иглы к поверхности металла между преобразователем и сварным швом. Качество сварного соединения оценивают по максимальной амплитуде эхосигнала условной протяженности одиночной несплошности, суммарной протяженности не сплошностей и числу не сплошностей по периметру шва [8, 9].
Полученная на ряде электростанций статистика производственного контроля указанных соединений показала высокую достоверность при обнаружении несплошностей по сравнению с радиационным контролем и достаточную помехоустойчивость от структурных помех. Предложенная методология контроля позволяет снизить материальные затраты относительно использования радиационного контроля и может быть рекомендована для разработки конкретных технологий контроля других типоразмеров стыковых соединений труб поверхностей нагрева.
Однако в оборудовании электростанций имеются конструктивно более сложные композитные сварные соединения, для акустического контроля которых требуется разработка методик, основанных на других принципах. Типичный пример указанных соединений показан на рис. 2. Соединение содержит патрубок 1, изготовленный из стали перлитного класса толщиной 20 мм, аустенитную наплавку 3 шириной 8 мм на кромке патрубка 1, патрубок 2, изготовленный из аустенитной стали 08Х18Н10Т толщиной 30 мм, аустенитную подкладку 5 с зазором между ее поверхностью и внутренней поверхностью патрубка 1 и наплавленный аустенитный металл шва. Угол разделки кромок патрубков 1 и 2 соответственно 10 и 40°. Валик усиления шва удален на уровне наружных диаметров патрубков 1 и 2. На левом окончании патрубка 1 имеется выступ (на рис. 2 не показан), а на патрубке 2 происходит уменьшение наружного диаметра. Эти факторы существенно ограничивают перемещение преобразователя вдоль образующих патрубков.
Согласно данным [2] максимальная помехоустойчивость М контроля на поперечных волнах для прямого и однократно отраженного лучей достигается соответственно при углах встречи 130 - 150° и 50 - 60° акустического луча с линией сплавления основного металла с наплавленным. Там же показано, что для повышения помехоустойчивости М контроля аустенитных соединений с указанной толщиной целесообразно использовать частоты в диапазоне 1,25-1,8 МГц. Для проведения экспериментальных исследований в образце (рис. 2) был выполнен боковой, цилиндрический, акустически бесконечный отражатель 4 диаметром 5 мм, залегающий на глубине 10 мм в линии сплавления наплавки 3 с наплавленным металлом шва. Максимальная амплитуда эхосигнала от указанного отражателя соответствовала Ак.
В процессе экспериментальных исследований были использованы преобразователи поперечных волн на частотах 1,25 и 1,8 МГц при контроле всего сечения сварного соединения прямым и однократно отраженным лучами. Из-за ограниченных возможностей сканирования преобразователей при полной контроледоступности соединения угол встречи акустического луча с линией сплавления основного металла с наплавленным в некоторых случаях не соответствовал оптимальному углу, при котором достигается максимально возможная помехоустойчивость контроля.
Помехоустойчивость М контроля от структурных шумов составила не менее М- Ак- Аш= 11 дБ. Однако в ряде случаев на экране дефектоскопа наблюдались структурные помехи, максимальная амплитуда Ап которых была соизмерима с Ак. В основном это были эхосигналы от структурных отражателей, залегающих на глубине 1-5 мм на границах перлит - наплавка, наплавка - наплавленный металл шва; на глубине 13-25 мм на границе аустенит - наплавленный металл шва.
В данном случае помехоустойчивость контроля от структурных помех возможно повысить за счет увеличения диаметра отражателя 4 (рис. 2). Однако это нецелесообразно, потому что повышение Ак за счет увеличения эквивалентной площади отражателя существенно снижает чувствительность контроля представленного соединения. Поэтому следующие экспериментальные исследования соединений были проведены на продольных волнах акустических колебаний [4]. Использовали прямой луч (так как полной контроледоступности соединения способствует отсутствие валика усиления шва) и частоту колебаний 2,5 МГц (длина волны существенно не отличается от длины поперечной волны на частоте 1,25 МГц).
Результаты экспериментов с применением прямого преобразователя (угол 0° ввода луча от наружной поверхности патрубков) показали, что относительно Ак наблюдались следующие максимальные амплитуды донных эхо сигналов (рис. 2): на перлите 7 дБ, в верхней точке сплавления наплавки с наплавленным металлом шва 1 дБ, от границы наплавки с корневой частью наплавленного металла шва 16 дБ и в наплавленном металле шва 2 дБ. Помехоустойчивость контроля в наплавленном металле шва была не хуже М = АК-АП = = 22 дБ. Эквивалентная отражательная площадь отверстия 4 (рис. 2), полученная расчетным способом по известным формулам, составила 5 мм2, что ниже норм допустимости одиночных не сплошностей в зоне сплавления наплавленного металла с основным [10].
Для повышения информативности контроля целесообразно также использовать продольные волны с наклонным падением акустического луча в металл. Угол ввода луча 60° определен на стандартном образце №2 по ГОСТ 14782. Помехоустойчивость относительно структурных помех при контроле со стороны перлитного патрубка была зафиксирована не ниже М=Ак - Ап = 18 дБ, а со стороны аустенитного патрубка она составила 8 дБ, что позволяет разработать и реализовать практическую технологию контроля представленного соединения.
При этом эквивалентная отражательная площадь отверстия 4 (рис. 2) при контроле со стороны перлитного патрубка составила 7 мм2, а при прозвучивании со стороны аустенитного патрубка 8,8 мм2. Согласно [10] она должна быть 7 мм2 для зоны сплавления наплавки с основным металлом. При акустическом контроле других конструкций аустенитных соединений нормы допустимости несплошностей в [10] не предусмотрены (видимо, из-за отсутствия конкретных технологий контроля).
Основной целью при разработке технологии контроля представленного соединения продольными волнами на основе полученных экспериментальных данных являются: достижение чувствительности контроля для средней части соединения не хуже 5 мм2 на нормально введенном акустическом луче, 7 мм2 при контроле наклонным лучом со стороны перлитного патрубка и 8,8 мм2 со стороны аустенитного патрубка; обеспечение максимальной контроледоступности всего сечения соединения (каждая точка сечения соединения прозвучивается с трех сторон); получение допустимой контролепригодности соединения (в данном случае она определяется помехоустойчивостью контроля от структурных помех и составляет не менее 8 дБ, что на 2 дБ выше известного допустимого критерия); обнаружение несплошности в основном металле (околошовной зоне), зонах сплавления, термического влияния и наплавленном металле шва.
Любая технология контроля должна базироваться на средствах контроля: дефектоскоп, преобразователи и настроечный образец. В данном случае последним является СОП, показанный на рис. 2. СОП шириной 40 мм должен быть изготовлен из соответствующего металлу изделия материала (рекомендуется вырезка СОП из металла штатного изделия). В качестве искусственных отражателей в СОП для настройки развертки, глубиномера и чувствительности контроля применяют боковой цилиндрический отражатель (сквозное отверстие 4 на рис. 2) и поверхности образца.
Рис. 2. Сложное композитное сварное соединение
Рис. 3. Ход акустических лучей:
1,2 - соответственно перлитный и аустенитный патрубки; 3 - луч; 4 - боковой цилиндрический отражатель; А - амплитуда эхосигнала
Перед проведением контроля настраивают скорость развертки, глубиномер дефектоскопа, а также уровни чувствительности контроля. В процессе контроля выполняют сканирование.
Для проведения контроля, настройки скорости развертки, глубиномера и чувствительности контроля целесообразно применить дефектоскоп с блоком цифровой обработки получаемых данных (БЦО).
При настройке глубиномера для контроля соединений прямым преобразователем в качестве ближнего отражателя используют боковой цилиндрический отражатель 4 (рис. 3) с максимальной амплитудой эхосигнала от него Ао1 и показаниями глубиномера 7,5 мм, а дальним отражателем служит нижняя поверхность аустенитного патрубка, от которой получают донный эхосигнал АО2 и устанавливают окончание отсчета БЦО, равное 30 мм.
Для контроля соединений со стороны перлитного патрубка наклонным преобразователем устанавливают его на середину основного металла СОП в сторону сварного шва, фиксируют прямым лучом от отражателя 4 максимальную амплитуду эхосигнала А1 (рис. 3) и настраивают начало отсчета БЦО, равное 10 мм. При контроле соединений со стороны аустенитного патрубка устанавливают преобразователь на середину СОП в сторону сварного шва, фиксируют прямым лучом от отражателя 4 максимальную амплитуду эхосигнала А1(рис. 3) и настраивают начало отсчета БЦО, равное 10 мм (указанные операции производят из-за разности скоростей акустических колебаний в перлитной и аустенитной частях соединения).
Для ориентировочного определения окончания отсчета БЦО устанавливают преобразователь на середину СОП с толщиной 24 мм, фиксируют прямым лучом от угла, образованного нижней и торцевой поверхностями СОП, максимальную амплитуду эхосигнала А2 (рис. 3) и настраивают окончание отсчета БЦО, равное 24 мм.
Контроль проводят контактным способом, перемещая преобразователь по поверхности изделия вручную. Контроль сварного соединения прямым преобразователем проводят путем его сканирования по поверхности соединения вдоль и поперек образующей на участке металла с наружным диаметром 352 мм (рис. 2) от места механического контакта преобразователя с выступом на перлитном патрубке до начала впадины на аустенитном патрубке и обратно.
При обнаружении несплошностей с амплитудой эхосигнала от них, равной контрольному уровню или больше его, определяют координаты не сплошности, максимальную амплитуду эхосигнала и число несплошностей по периметру сварного соединения. Методика контроля соединения прямым преобразователем заключается в следующем. Устанавливают преобразователь на поверхность СОП, настраивают скорость развертки, глубиномер и определяют на экране дефектоскопа рабочую зону контроля. Прямым лучом фиксируют максимальную амплитуду Аа1 эхосигнала от отражателя в СОП (рис. 3). Эту амплитуду эхосигнала устанавливают на стандартный уровень. В этом случае стандартный уровень равен браковочному уровню чувствительности Aб.
Устанавливают преобразователь на наружную поверхность в середине СОГ1 (рис. 3), где его толщина равна 24 мм (рис. 2), прямым лучом фиксируют максимальную амплитуду А'о1 эхосигнала от нижней поверхности и разность амплитуд эхосигналов А'о1 -Ао1. В процессе проведения контроля сварного соединения эхосигнал А'о1 служит индикатором для оперативной проверки правильности настройки глубиномера дефектоскопа и чувствительности. В этом случае на стандартном уровне показания глубиномера должны быть 24 мм, а браковочный уровень чувствительности Аб = А'о1-(А'о1-Ао1). Операции повторяют несколько раз до получения воспроизводимости результатов настройки дефектоскопа. Это же условие следует соблюдать и при настройке дефектоскопа с наклонным преобразователем.
В процессе сканирования сварного соединения минимальная амплитуда донных эхосигналов наблюдается на участках, где проходит граница: наплавка - корневая часть наплавленного металла шва (рис. 2). Таким образом, по местоположению преобразователя на наружной поверхности соединения, соответствующему минимальному значению амплитуды донного эхосигнала, с достаточной точностью возможно определить место раздела толщин металла 20 и 30 мм.
Методика контроля сварного соединения наклонным преобразователем со стороны аустенитного патрубка должна выполняться в следующей последовательности. Устанавливают наклонный преобразователь на поверхность СОП, настраивают глубиномер, скорость развертки и фиксируют на экране дефектоскопа рабочую зону контроля.
Прямым лучом фиксируют максимальную амплитуду А' 1 эхосигнала от отражателя в СОП (рис. 3). Эту амплитуду эхосигнала устанавливают на стандартный уровень. В этом случае стандартный уровень равен браковочному уровню чувствительности Аб.
Устанавливают преобразователь на наружную поверхность в середине СОП, где его толщина равна 24 мм, прямым лучом фиксируют максимальную амплитуду А2 эхосигнала от угла и разность амплитуд эхосигналов А2-А1.
В процессе проведения контроля сварного соединения эхосигнал А2 служит индикатором для оперативной проверки правильности настройки глубиномера дефектоскопа и чувствительности контроля.
В этом случае на стандартном уровне показания БЦО должны быть 24 мм, а браковочный уровень чувствительности Aq=A2- (А2 -А1). Сканируют контролируемое сварное соединение со стороны аустенитного элемента от участка, где точка ввода луча преобразователя совпадает с началом впадины аустенитного патрубка до механического контакта передней грани преобразователя с началом выступа на перлитном патрубке.
В процессе сканирования сварного соединения на экране дефектоскопа возможно появление ложных эхосигналов. Ложный эхосигнал может быть зафиксирован прямым лучом от торцовой поверхности возможного зазора между аустенитной подкладкой и наплавкой на кромке перлитного патрубка. В этом случае следует определить координаты отражателя и сравнить их с данными, полученными при контроле прямым преобразователем.
Если координаты отражателя совпадают, то следует провести контроль наклонным преобразователем со стороны перлитного элемента. При сформированном торце в зазоре ложный эхосигнал от него должен отсутствовать. В противном случае эхосигналы на экране дефектоскопа при контроле со стороны аустенитного и перлитного элементов свидетельствуют о наличии несплошности в корневой части шва.
Структурные помехи (ложные эхосигналы) формируются от структурных отражателей, расположенных в переходных зонах: перлит - наплавка; наплавка - наплавленный металл шва, а также в некоторых случаях аустенит - наплавленный металл шва. Признаком структурных помех, позволяющих отличить их от эхосигнала, отраженного от несплошности, является возникновение в зоне контроля на экране дефектоскопа двух и более ложных эхосигналов, амплитуда и местоположение которых быстро изменяются (отсутствует огибающая) при перемещении преобразователя вдоль или поперек образующей изделия.
В некоторых сомнительных случаях следует использовать результаты контроля соединения, полученные при контроле прямым и со стороны перлитного патрубка наклонным преобразователями. Методика контроля сварного соединения наклонным преобразователем со стороны перлитного патрубка выполняется следующим образом. Настраивают глубиномер, скорость развертки и фиксируют на экране дефектоскопа рабочую зону контроля. Прямым лучом фиксируют максимальную амплитуду А1 эхосигнала от отражателя в СОП (рис. 3). Эту амплитуду эхосигнала устанавливают на стандартный уровень. В этом случае стандартный уровень равен браковочному уровню чувствительности Аб.
Устанавливают преобразователь на наружную поверхность в середине СОП, где его толщина равна 24 мм, прямым лучом фиксируют максимальную амплитуду А2 эхосигнала от нижнего угла и разность амплитуд эхосигналов А2 —А1.
В этом случае на стандартном уровне показания глубиномера должны быть 24 мм, а браковочный уровень чувствительности Aб = А2 - (А2 - А1). Сканируют контролируемое сварное соединение со стороны перлитного элемента от механического контакта задней грани преобразователя с началом выступа на перлитном патрубке до участка, где точка ввода луча преобразователя совпадает с началом впадины аустенитного патрубка. В процессе сканирования руководствуются теми же требованиями для определения наличия на экране дефектоскопа ложных эхосигналов, что и при контроле соединения со стороны аустенитного патрубка. Качество сварных соединений оценивают по двухбалльной системе: балл 1 - неудовлетворительное качество; балл 2 - удовлетворительное качество.
Баллом 1 оценивают сварные соединения со следующими несплошностями:
наибольшая амплитуда эхосигнала от которых превышает браковочный уровень Аб (т.е. больше амплитуды эхосигнала от бокового цилиндрического отражателя диаметром 5 мм);
амплитуда эхосигналов от обнаруженных несплошностей находится между контрольным и браковочным уровнями чувствительности, а число обнаруженных несплошностей на любых 100 мм периметра сварного соединения больше 3.
Баллом 2 оценивают соединения, в которых не обнаружены несплошности с характеристиками, представленными для оценки баллом 1.
На основе полученных экспериментальных данных и представленных технологий контроля разработана инструкция по акустическому контролю композитного сварного соединения патрубков ДуЗОО (РТМ ВТИ 17.027).
Выводы
- Акустический контроль трубопроводов из сталей разных структурных классов стыковых соединений (композитных аустенитно-перлитных соединений) практически возможен с чувствительностью не ниже или несколько хуже чувствительности контроля, регламентируемой нормами допустимости одиночных несплошностей для сварных соединений из сталей перлитного класса.
- Для решения вопроса о возможностях контроля необходимы предварительные экспериментальные исследования акустических характеристик конкретного соединения, по результатам которых определяют контролепригодность, контроледоступность и чувствительность контроля.
- При разработке технологий контроля композитного соединения с валиком усиления шва с целью повышения контроледоступности и согласно [5] контролепригодности соединения целесообразно использовать прямой и однократно отраженный лучи поперечной волны.
- При удаленном валике усиления шва информативность контроля композитного соединения с большим диаметром существенно повышается с использованием прямого луча продольной волны.
- Для толщин 4 - 6 и 20 - 30 мм разработаны промышленные технологии акустического контроля композитных соединений.
Список литературы
- Лантух В. М. Исследование нестандартных акустических преобразователей для контроля металла. - Электрические станции, 1993, № 11.
- Лантух В. М. Экспериментальные исследования оптимальных параметров акустического контроля аустенитных сварных соединений энергооборудования. - Дефектоскопия, 1996, № 2.
- Ермолов И. Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981.
- Методические рекомендации по ультразвуковому контролю аустенитных стыковых сварных соединений трубопроводов / Гребенник В. С., Лантух В. М., Тайц М. 3. и др. - В сб.: Атомные электрические станции. М.: Энергоатомиздат, 1989, вып. 11.
- Лантух В. М. К вопросу акустического контроля аустенитных сварных соединений энергооборудования. - Дефектоскопия, 1996, № 3.
- Лантух В. М. Акустический контроль аустенитных стыковых соединений трубопроводов электростанций - Сварочное производство, 1996, № 3.
- Лантух В. М. Акустический контроль аустенитных сварных угловых соединений трубопроводов электростанций- Сварочное производство, 1996, № 10.
- Лантух В. М. Акустический контроль стыковых соединений труб поверхностей нагрева котлов. - Сварочное производство, 1997, № 4.
- РТМ ВТИ 17.022. Инструкция по акустическому контролю стыковых соединений труб поверхностей нагрева. М.: ПМБВТИ, 1997.
- ПН АЭГ-7-010-89. Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля. М.: Энергоатомиздат, 1991.
