Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ультразвуковой контроль электросварных труб .
Обзор состояния 14
1.1.Металлургические аспекты сварки труб 16
1.2.Технология производства электросварных труб большого диаметра 18
1.3. Дефекты сварных швов труб, возникающие при сварке давлением 24
1.4. Дефекты сварных швов труб, возникающие при сварке плавлением 27
1.5.Методы и оборудование УЗ контроля сварных швов труб 30
1.6.Факторы, влияющие на достоверность автоматизированного УЗ контроля сварных швов труб 33
1.6.1.Смещение сварного шва относительно акустического блока 34
1.6.2.Состояние акустического контакта 35
1.6.3.Индустриальные и акустические помехи 37
1.6.4.Форма и пространственное положение дефектов 38
1.7.Выводы 40
Глава 2. Исследование акустического тракта при УЗ контроле сварных швов труб 43
2.1. Анализ прохождения ограниченного пучка импульса сдвиговых волн в металл стенки трубы 43
2.2.Зависимость амплитуды эхосигнала от расстояния до точки ввода сдвиговых волн и влияние её характера на параметры контроля 47
2.3.Влияние температуры на угол ввода сдвиговых волн в металл
2.4.Возможность использования зависимости амплитуды эхосигнала от расстояния до точки ввода сдвиговых волн 53
2.5.Выбор зоны контроля в зависимости от расстояния до точки ввода сдвиговых волн 55
2.6. Особенности прохождения импульса УЗ волн через контактный слой жидкости 61
2.7.Снижение влияния акустического контакта применением автоматической регулировки усиления 64
2.8.Выводы 67
Глава 3. Особенности автоматизированного контроля сварных швов труб 69
ЗЛ.Контроль сварного шва труб со снятым гратом заподлицо 69
3.1.1.Выявление участка периметра трубы, содержащего сварной шов 69
3.1.2.Выявление и слежение за сварным швом по шумовым сигналам 80
3.1.3.Выявление непроваров и продольных трещин в сварном шве трубы
3.1 АВыявление поперечных трещин сварного шва трубы 86
3.2.Контроль сварного шва труб с гратом на внутренней поверхности 89
3.2.1.Регулировка канала дефектоскопии по эхосигналам от грата движущегося шва 89
3.2.2. Использование эхосигналов от грата при автоматической регулировке усиления 96
З.З.Контроль сварного шва труб с нормированной формой валиков усиления 98
3.3.1.Слежение зоны контроля по эхосигналам от дальней кромки валика усиления шва 98
3.3.2.Исследование способов помехозащиты и регистрации эхосигналов от дефектов металла шва 109
З.З.З.Компенсация нестабильности акустического тракта автоматической регулировкой усиления 114
З.ЗАСхема прозвучивания шва и структурная схема дефектоскопа 115
3.3.5.Вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности контроля сварного шва труб 124
З.З.б.Возможность определения вида дефекта сварного шва 138
3.3.7.Многоэлементный пьезопреобразователь для контроля сварного шва труб большого диаметра 140
ЗАОсобенности контроля сварного шва труб с ненормированной формой валика усиления 149
3.5.Выводы 153
Глава 4. Автоматизированный ультразвуковой контроль концевых участков труб 155
4.1.Выявление расслоений в стальных трубах при щелевом способе ввода ультразвука 155
4.2. Использование щелевого акустического контакта при измерении толщины стенки труб 170
Глава 5. Создание установок ультразвукового контроля электросварных труб в потоке производства 177
5.1.Принципы построения установок автоматизированного УЗ контроля электросварных труб 177
5.2.Структурные схемы установок для автоматизированного УЗ контроля труб 182
5.2.1.Установки автоматизированного УЗ контроля сварного шва 182
5.2.2.Установки автоматизированного УЗ контроля концевых участков труб 200
5.2.3.Структура программного обеспечения установок УЗ контроля сварного шва и концов труб 205
5.3.Метрологические аспекты автоматизированного УЗ контроля электросварных труб 210
5.4.Некоторые результаты испытаний установок 214
5.5.Выводы 216
Основные выводы и результаты работы 219
Список литературы 224
- Дефекты сварных швов труб, возникающие при сварке давлением
- Особенности прохождения импульса УЗ волн через контактный слой жидкости
- Использование эхосигналов от грата при автоматической регулировке усиления
- Использование щелевого акустического контакта при измерении толщины стенки труб
Введение к работе
Актуальность работы
Приоритетными направлениями развития отечественной науки, техники и технологий является энергоэффективность, энергосбережение и рациональное природопользование, в связи с чем обеспечение эффективности, надежности и безопасности объектов добычи, транспортировки и потребления нефти, газа и продуктов их переработки, развитие энергетики, химической промышленности и других отраслей требует постоянного наращивания объемов производства качественных электросварных труб, являющихся основным звеном в структуре стоящихся магистральных и локальных продуктопроводов. По методу формирования сварного шва производимые электросварные трубы подразделяются на прямошовные, выполняемые контактной сваркой (сваркой давлением) и пря-мошовные или спиральношовные трубы, выполняемые электродуговой сваркой (сваркой плавлением). Трубоэлектросварочные агрегаты (ТЭСА) с непрерывным циклом производства в целом обеспечивают добротное исполнение последовательности всех операций производства, но отдельные элементы технологической линии нуждаются в постоянном совершенствовании.
Необходимым условием в обеспечении качества производства электросварных труб является применение комплекса методов неразрушающего контроля (НК) - ультразвуковых (УЗ), электромагнитных, магнитно-люминесцентных, радиационных и др. Основными задачами методов НК, применяемых на разных этапах производства, являются обеспечение своевременного обнаружения дефектов и оценка их параметров в ответственных зонах трубы: сварной шов, околошовная зона и концевые участки трубы, формирующие кольцевой сварной шов на стадии строительства трубопроводов. Каждый из применяемых методов имеет определённые достоинства и недостатки. Так, электромагнитный метод применим преимущественно для контроля тонкостенных труб, радиационные методы не выявляют недопустимые плоскостные дефекты с малым раскрытием и требуют применения защитных мероприятий от вредного радиационного излучения.
Ведущее место в решении обозначенных проблем по праву принадлежит ультразвуковому методу, который обеспечивает высокую скорость контроля и надежное выявление плоскостных и объемных дефектов сплошности как в зоне сварного шва, так и в концевых зонах трубы. УЗ автоматизированный метод практически безопасен в применении, позволяет контролировать трубы в широком диапазоне диаметров и толщин стенок.
Однако на момент начала исследований отсутствовали методология комплексного УЗ контроля сварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства, теория и методы обработки результатов контроля на базе информационных технологий, программное обеспечение и оборудование для автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов и краевых полос концов электросварных труб. В связи с этим потребовалось решить проблему развития методов, разработки оборудования и техно-
логии ультразвукового контроля электросварных труб в процессе производства.
В настоящей работе обобщены результаты исследований методов, разработки оборудования и технологии ультразвукового контроля электросварных труб, выполненные автором во ВНИИНК ПО «Волна» - НИИНК АО «Интро-скоп» в период с 1980 г. по настоящее время.
Цель диссертационной работы
Цель данной диссертационной работы состоит в решении проблемы повышения эффективности производства, достоверности ультразвукового неразру-шающего контроля электросварных труб и надежности функционирования нефтегазопроводов.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать методологию комплексного автоматизированного УЗ контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства.
-
Исследовать и разработать вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов труб.
-
Разработать метод выявления расслоений в стальных толстостенных трубах при щелевом способе ввода ультразвука.
-
Исследовать и использовать способы автоматического слежения за швом на основе исследования информативных сигналов сварного шва.
-
Разработать методологию и способы оценки характера дефектов сварного шва труб.
-
Разработать принципы построения, создать и внедрить в промышленность системы автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений и концов труб.
Научная новизна
-
Разработана методология комплексного автоматизированного УЗ контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства на базе информационных технологий.
-
Исследованы и применены вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов труб, разработан алгоритм оценки характера отражающей поверхности дефекта.
-
Исследован метод выявления расслоений в зоне концевых участков стальных толстостенных труб при щелевом способе ввода ультразвука с учетом резонансных явлений в слое контактирующей жидкости.
-
Разработаны способы и средства автоматического слежения за швом на основе исследования информативных сигналов сварного шва.
-
Разработана методология определения вида дефектов сварного шва корреляционным, вероятностным и комбинационным способами.
6. Разработаны принципы построения, созданы и внедрены в промышленность комплексы автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений и концов труб на базе информационных технологий.
Защищаемые научные положения
-
Разработанная методология комплексного УЗ контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства.
-
Вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов труб.
-
Метод выявления расслоений в зоне концевых участков стальных толстостенных труб при щелевом способе ввода ультразвука.
-
Способы и средства автоматического слежения за швом на основе исследования информативных сигналов сварного шва.
-
Методология и способы оценки характера дефектов сварного шва корреляционным, вероятностным и комбинационным способами.
-
Принципы построения и реализации аппаратно-программных средств. Созданные системы автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений и концов труб и результаты их внедрения в промышленность.
Методы исследований
Теоретические исследования проводились с использованием теории вероятностей квазиустановившихся случайных импульсных процессов, вероятностных и корреляционных способов обработки информации, элементов теории информатики. Расчетные соотношения получены аналитическим путем и проверены экспериментально. Обработка результатов измерений производилась с применением средств вычислительной техники и статистического анализа.
Метрологическое обеспечение базировалось на государственных и международных стандартах и нормативных документах, регламентирующих параметры специализированных пьезоэлектрических преобразователей, электронной аппаратуры и стандартных образцов электросварных труб. Надежность контроля подтверждена многолетней эксплуатацией разработанного оборудования, результатами сопоставительных испытаний и высокой оценкой качества продукции ряда металлургических предприятий на отечественных и международных конкурсах.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Разработанная методология комплексного УЗ контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства была реализована в разработанной и выпускаемой аппаратуре. Разработаны и внедрены в линии ТЭСА многоканальные установки: НЗД-008 в количестве 4 штук на предприятии «ТЕПРО», г. Яссы, Румыния, предназначенные для контроля труб 219–279 мм с толщиной стенки 4–6 мм, выполняемых сваркой давлением, с неснятым внутренним гратом (А.с. СССР № 998942, № 1627973), что позволило ежегодно выпускать 80 – 100 тыс. тонн электросварных труб;
НКУ-108 и НКУ-108М в количестве 6 штук на предприятии «Хели-Тубе»,
г. Бухарест, Румыния для контроля спиральных швов труб 530 – 1620 мм
с толщиной стенки 6…12 мм в линии ТЭСА (А.с. СССР № 998942,
№ 1627973), поставленные по экспортному заказ-наряду. Проведенная мо
дернизация производства позволила увеличить ежегодный объем производ
ства качественных спиральношовных труб до 200 тыс. тонн;
Интроскоп-КСШ1 и Интроскоп-ККТ1 на базе многоканального ультразву
кового комплекса Интроскоп-01 в ОАО «Выксунский металлургический за
вод», предназначенные для автоматизированного УЗ контроля сварных
швов и концов труб диаметром 219-530 мм, выполненных контактной свар
кой. С целью существенного повышения достоверности контроля электро
сварных труб со снятым гратом заподлицо в 2007 г. выполнена системная
модернизация установки Интроскоп-КСШ1;
комплексы Интроскоп-02.01 и Интроскоп-02.02, вошедшие в состав обору
дования, поставленного потребителю и внедрённого совместно с ИЭС
им. Е.О. Патона в семи установках ультразвукового контроля сварных швов
и концевых участков труб большого диаметра, выполненных электродуго
вой сваркой: НК-360, НК-361 и НК-362 с улучшенными техническими ха
рактеристиками, паспортизацией труб и оперативным использованием ин
формации о результатах контроля в процессе их производства. В ходе по
слегарантийного авторского обслуживания комплексов Интроскоп-02.01 и
Интроскоп-02.02 в период 2007 – 2013 г.г. выполнено поэтапное обновление
методического и аппаратно-программного обеспечения установок (заменено
ПО с целью увеличения производительности УЗ контроля труб и обеспече
ния самодиагностики комплексов Интроскоп, увеличена степень интегра
ции аппаратуры, повышена ее надежность). Постоянное совершенствование
внедренных в промышленность систем оборудования ультразвукового кон
троля в совокупности с другими методами НК, используемыми при произ
водстве электросварных труб, позволяет оперативно реагировать на новые
запросы заказчиков и требования новых стандартов, обеспечивать высокое
качество и надежность возводимых ответственных народно-хозяйственных
объектов, таких как энергетические сооружения, магистральные трубопро
воды, включая подводные: североевропейский газопровод Nord Stream, Са
халин-1, Сахалин-2, Джубга-Сочи, Узбекистан-Китай, Южный поток и др.
Личный вклад
Личный вклад автора состоит в выборе научно-технического направления и постановке задач исследования, анализе литературных источников, развитии теории и проведении экспериментов, интерпретации полученных результатов; разработке методов оценки характера дефектов, математической модели корреляционной функции, принципов создания функциональных и электрических схем аппаратно-программных комплексов, алгоритмов обработки информации, технологии автоматизированного ультразвукового контроля электросварных труб, особенностей выявления дефектов на концевых зонах труб, программ испытаний оборудования. В реализации программы исследований и разработке
оборудования принимали участие Коряченко В.Д., Кирияков В.Ф., Гаврев В.С., Ралдугин А.Н., Найда В.Л., Копылов А.П., Исаенко Ф.И. и др. В совместных публикациях [1, 4, 5, 11, 16, 18, 19, 22, 24, 27] соавторами оказана помощь в разработке алгоритма определения вида дефекта сварного шва по бинарному коду значений коэффициентов формы, в конструировании раздельно-совмещенных ПЭП и их согласовании при работе на длинный кабель, в проведении экспериментальной части работы и обсуждении результатов, в наборе статистических данных при эксплуатации оборудования УЗ контроля, внедрённого в промышленность. В остальных работах соавторам принадлежат результаты, не вошедшие в диссертацию.
Апробация работы
Основные результаты и положения настоящей работы докладывались на: 10-й Европейской конференции NDT (2010г.), 9-й – 12-й Всесоюзных научно-технических конференциях (НТК) по неразрушающим физическим методам и средствам контроля (1981 – 1990 г.г.), 13-й, 16-й – 20-й Российских НТК по НК и ТД (1993 – 2014г.г.), 2-й Международной конференции MECAHITECH’2010 (Бухарест, 2010г.), 2-й –3-ей Международных конференциях "Диагностика трубопроводов" (Москва, 1991 – 2001г.г.), 3-й – 8-й Международных конференциях "НК и ТД в промышленности" (Москва, 2004 – 2009г.г.), 1-й Национальной НТК "Методы и средства НК и ТД" (Кишинев, 2003г.), 4-й Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Москва, 2003г.), 7-й Национальной НТК UkrNDT-2012, Киев, Международной научно-технической конференции «Достижения физики неразрушающего контроля» (Республика Беларусь, г. Минск, 15 октября 2013 г.) и на других конференциях и семинарах международного и республиканского уровней.
По материалам диссертации опубликованы 52 печатные работы, в том числе 1 монография. На технические решения, реализованные в разработанных средствах неразрушающего контроля, получены 5 авторских свидетельств и 9 патентов РМ. Созданный генератор импульсов возбуждения, выполненный на уровне изобретения, вошел в блок технических решений, на который в 1985 г. была продана лицензия западногерманской фирме. Многоканальный ультразвуковой дефектоскоп ИНТРОСКОП-01 удостоен Диплома V Международной специализированной выставки ДЕФЕКТОСКОПИЯ – 2004, г. С.-Петербург.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 177 наименований.
Работа содержит 255 страниц машинописного текста, 6 таблиц, 2 диаграммы и 100 рисунков и иллюстраций.
Дефекты сварных швов труб, возникающие при сварке давлением
Для удержания точной геометрии трубы решающее значение придается процессу согласованной формовки на так называемых И- и О-формующих прессах [9]. Лист корытообразной формы с первой клети подается на гидравлический пресс усилием 1800 тс, с помощью которого листу придается Ц-образная форма (7). На последующем О-формирующем прессе (8) с очень высоким прессовым усилием (12 000 тс) и высокой точностью регулировки осуществляется окончательная формовка. Далее методом клеймления наносится номер трубы, после чего производится гидросбив окалины, а затем сушка трубных заготовок (9).
Передвижной рольганг распределяет заготовки на рольганги-аккумуляторы для создания запаса перед трубосварочными станами. Наиболее качественный шов при производстве прямошовных труб большого диаметра дает трехслойная сварка, при которой вначале выполняется технологический шов, затем внутренний и наружный рабочие швы.
С рольганга-аккумулятора О-образные трубные заготовки подаются на машину для сварки технологического шва (10), на которой смещение кромок предотвращается благодаря применению внешних клетей. Технологический шов накладывается непрерывно сварочным автоматом с двумя головками в среде защитного газа. Шов служит также для защиты ванны расплавленного металла при последующей сварке под флюсом внутреннего шва и способствует предотвращению образования дефектов.
Далее труба поворачивается швом вниз для сварки внутреннего шва (11). Внутрь трубы на тележке подается сварочная штанга, на конце которой устанавливается сварочная головка. Сварка под флюсом проводится в один слой, т.е. проваривается слой металла до технологического шва, который удерживает ванну жидкого металла и не дает ему протечь насквозь. Электродная проволока при внутренней сварке передвигается вдоль штанги по специальным направляющим трубкам, изолированным от корпуса. Подача флюса в зону сварки и отсос неиспользованного флюса после сварки производятся по трубопроводам, проложенным также вдоль штанги. Сварочная головка имеет устройство для отсоса газов, выделяющихся в процессе сварки.
После наложения внутреннего сварного шва, труба разворачивается швом в зенит, и выполняется сварка наружного рабочего шва (12). При этом технологический шов полностью расплавляется. Наложение наружного шва трубы производится специальным сварочным автоматом переменного тока, четыре электрода которого последовательно располагаются так, чтобы образовалась только одна сварочная ванна. За счет специально сконструированных сварочных машин высокой производительности обеспечивается высокая стабильность различных сварочных параметров: силы тока, напряжения, скорости сварки, шага электродов, угла между электродами и разделкой под сварку, высоты и ширины слоя флюса. Это имеет особое значение для формирования равномерной формы валика усиления и высокого качества сварного шва. Трубы лежат на тяжёлых сварочных тележках, обеспечивающих безвибрационное и плавное прохождение их под сварочными автоматами. Скорость сварки трубы составляет 1-4 м/мин.
Важнейшее место в обеспечении качества труб занимает комплекс методов неразрушающего контроля, которые в необходимых местах цепочки производства, как обязательные, встроены в технологию и обеспечивают своевременное обнаружение дефектов в ответственных зонах трубы [141]. Это в первую очередь продольный сварной шов и околошовная зона, а также концевые участки трубы, формирующие зону кольцевого сварного шва уже в процессе строительства трубопроводов. Комплексная диагностика всех элементов трубы в линии производства подразделяется на две стадии контрольных операций: технологическую и сдаточную. На технологической стадии используются следующие методы НК: визуальный контроль сварного шва и поверхности трубы (13), автоматизированный УЗ контроль (АУЗК) сварных швов (14), рентген-телевизионный контроль (РТК) отмеченных дефектных участков сварного шва (15), ручной УЗ контроль (РУЗК) отмеченных участков сварного шва (16), РТК отремонтированных участков сварного шва, РУЗК отремонтированных участ ков сварного шва. Если после выполнения всех контрольных и ремонтных операций на технологическом этапе дефектов не обнаружено, производится предварительная приёмка трубы.
По результатам предварительной приёмки трубы производится плазменная обрезка технологических планок (17), а затем - промывка водой внутренней поверхности трубы от окалины и остатков флюса.
Далее на гидравлическом прессе - экспандере с номинальным усилием 1000 тс выполняется калибровка концов трубы по периметру (18). В результате пластической деформации, имеющей место при экспандировании, достигаются очень узкие допуски по внутреннему диаметру и овальности трубы, что является предпосылкой для минимального смещения кромок при сварке кольцевых стыков на трассе строящихся трубопроводных магистралей. После калибровки производится отбор проб для испытаний, изготовление образцов, их механические испытания, а также определение химического состава образца.
На откалиброванных концах трубы фрезерным станком производится снятие валика усиления внутреннего шва (20) на расстоянии 200 мм от каждого торца и предварительная торцовка труб для обеспечения герметичности на испытательном прессе. На гидропрессе производится калибровка трубы по всему объёму и гидроиспытание (20). Калибровка приводит к более равномерному распределению внутренних напряжений по периметру, возникших при формовке и сварке. При гидроиспытании давление воды поднимается до 256 атм, что значительно превышает рабочее давление и доводит металл стенки трубы почти до предела текучести. Величина давления в трубе и время выдержки регистрируются. Труба, не выдержавшая гидроиспытания, бракуется.
Особенности прохождения импульса УЗ волн через контактный слой жидкости
К первой группе относятся дефекты типа смещения (превышения) кромок и некачественное удаление грата (рис. 1.4, а). Смещение кромок имеет место при неправильной формовке, разнотолщинности свариваемых кромок трубной заготовки и, как следствие этого, неравномерном нагреве свариваемых поверхностей. При этом плоскость сварного шва не совпадает с нормалью к поверхности трубы (возникает перекос шва). При удалении наружного грата превышение кромок устраняется, но одновременно происходит утонение стенки трубы. Получение качественного сварного шва труб возможно только в случае применения исходной ленты с определенными технологическими свойствами и химическим составом.
Возникающие при сварке труб из сильно загрязненных сульфидами кипящих сталей расслоения после удаления резцом наружного грата нарушают сплошность тела и поверхности трубы. Обнаружение дефектов типа расслоений при изготовлении исходной ленты или в линии трубоэлектросварочного стана перед сваркой невозможно из-за высокой температуры и плотного соединения прилегающих слоев металла при прокатке. Проявляются такие дефекты только в процессе термомеханического воздействия при сварке и сдавливании свари ваемых кромок в шовсжимающих клетях. При калибровке и правке трубы шов, как правило, раскрывается или вскрывается с поверхности, часть металла отслаивается, нарушается форма трубы (рис. 1.4, б). Некачественное удаление внутреннего грата приводит к нарушению формы внутренней поверхности трубы. Возникают четко выраженные «ступеньки» не удаленной части грата или протяженные царапины на поверхности трубы, приводящие при УЗ контроле к ложной браковке трубы.
Ко второй группе дефектов относятся сквозные или частичные непрова-ры, возникающие при грубом нарушении режима сварки. Такие дефекты характеризуются полным или частичным отсутствием соединения свариваемых поверхностей (рис. 1.4, в). Понижение температуры нагрева трубной заготовки приводит к появлению в сварном шве окисных пленок, что связано с более высокой, по сравнению с основным металлом температурой плавления окислов железа. К дефектам сплошности следует отнести и отдельные «свищи», возникающие вследствие кратковременного прерывания процесса нагрева металла и представляющие собой сквозные непровары протяженностью 2 мм и менее.
Третью группу дефектов составляют дефекты структуры металла шва и околошовной зоны (рис. 1.4, г). При индукционном нагреве металла до высокой температуры (1400 С и выше) могут образовываться такие дефекты сварных соединений, как рыхлоты. Рыхлоты являются следствием внутреннего окисления металла по границам зерен и разрушения металлической связи между ними в процессе деформации металла. Рыхлоты могут располагаться не только в месте сварки, но и в зоне термического влияния. Наличие большого количества рыхлот приводит к снижению механических свойств сварных соединений. Из-за повышенного содержания в спокойной стали (например, 10 ст) марганца и кремния на кромках трубной заготовки образуются тугоплавкие окисные плёнки, препятствующие активному протеканию диффузионных процессов и способствующие появлению в шве «светлой полоски» - окислов. В связи с этим сварные швы труб, сваренных из спокойной стали, имеют пониженные механические свойства. При продолжительном нагреве свариваемых поверхностей окисные включения становятся центрами кристаллизации феррита. Образующаяся при этом ферритная зона, насыщенная значительным количеством растворенного кислорода, обладает повышенной твердостью и малой пластичностью. В дефектоскопии дефекты сварки, связанные с незначительной взаимной диффузией свариваемых поверхностей, называют «слипаниями» или «прилипаниями». Выявление таких дефектов методами НК весьма затруднительно. Наличие дефектов сварного шва типа «слипания», ослабляющих механическую прочность сварного шва, приводит к его разрушению при правке трубы или ее гидроиспытаниях.
Нестабильность режима нагрева металла при высокочастотной сварке приводит к чередованию сварки давлением со сваркой оплавлением. Это приводит к чередованию зон с различной структурой. В связи с чередованием участков сварного шва, подвергающихся воздействию температур, способствующих получению зон без оплавления и зон с оплавлением металла, имеют место различные механизмы соединения кромок - кристаллизации при сварке оплавлением, когда появляется жидкая фаза, и диффузии при отсутствии жидкой фазы. При сварке оплавлением направление роста кристаллов в пограничной зоне определяется структурой оплавленных зёрен свариваемых участков, вследствие чего на границе жидкой и твердой фаз создаются замкнутые объемы, где возникают микропустоты. Это приводит к образованию горячих трещин или возникновению высоких внутренних напряжений, вследствие чего наблюдаются случаи самопроизвольного образования трещин после длительного хранения труб.
Использование эхосигналов от грата при автоматической регулировке усиления
Отсутствие грата на наружной и внутренней поверхности трубы дает возможность использовать дельта-метод для выявления продольных плоскостных дефектов сварного шва, ориентированных перпендикулярно поверхностям трубы. Дельта-метод контроля сварных швов широко применяется при использовании ручных дефектоскопов, но может найти применение и для автоматизированного контроля сварных швов труб в потоке их производства. При использовании локально-иммерсионного ПЭП1 согласно рис. 3.1 возможность применения дельта-метода оказывается очевидной.
В течение промежутка времени, когда осуществляется попеременное зондирование металла сварного шва парой наклонных ПЭП, локально-иммерсионный ПЭП1 может принимать УЗ импульсы продольных волн, возникающие в результате трансформации сдвиговых волн, падающих на поверхность плоскостного дефекта. В работе [78] показано, что для возникновения продольных волн в металле шва, содержащего плоскостной дефект, при отражении сдвиговых волн от поверхности дефекта необходимо, чтобы вектор смещения частиц в сдвиговой волне имел компоненту, направленную перпендикулярно поверхности дефекта. Можем принять, что в большинстве случаев такая компонента имеется, т.е. имеет место появление УЗ импульса продольных волн. В работе [81] показано, что направление оси диаграммы направленности трансформированных продольных волн зависит от размера и ориентации “блестящего” участка поверхности плоскостного дефекта (участка, перпендикулярного оси падающего пучка сдвиговых волн). Нас интересуют волны, направленные перпендикулярно поверхностям стенки трубы, от которых они могут многократно отражаться, то есть на вход ПЭП1 (рис. 3.1) в некоторых случаях поступает серия УЗ импульсов (серия донных сигналов). Заметим, что дельта-метод применим в случае озвучивания поверхности плоскостного дефекта хорошо направленным пучком сдвиговых волн, т.е. нельзя использовать много отражений от поверхности стенки трубы. Выбор параметра L0 для ПЭП2 и ПЭП3 обычно осуществляется из условия приемлемой зоны контроля металла шва. Заметим, что целесообразно использовать не более 3х пиков осциллирующей функции А) (L).
В практике автоматизированного УЗ контроля сварного шва труб для выявления поперечных трещин обычно используют пару наклонных ПЭП, акустические оси которых ориентированы в плоскостях, направленных под некоторым углом к оси шва и навстречу друг другу. При этом ПЭП работают в раздельном режиме, то есть такой вариант работы пары ПЭП можно рассматривать как аналог тандем-метода контроля сварного шва [1,7].
Однако в частном случае, при контроле труб со снятым гратом заподлицо, можно использовать опыт УЗ контроля бесшовных труб [69, 83, 84]. В работе [69] описана автоматизированная установка "Днепр-1", в акустическом блоке которой использованы призматические ПЭП для выявления поперечных трещин на поверхностях трубы. Схему, приведенную на рис. 2.2, можно рассматривать как схему многократных отражений импульса сдвиговых волн при использовании наклонного ПЭП для зондирования металла сварного шва вдоль его оси [90, 91]. Для этого случая также справедливы рассмотренные в главе 2 особенности осциллирующей функции А)(L а), однако имеются осо бенности при выявлении поперечных трещин сварного шва одним наклонным ПЭП.
Нас интересуют трубы 0 219 - 1420 мм, для которых можно применять наклонный ПЭП с круглой пьезопластиной 0 6 - 12 мм. На рис. 3.8 показана схема экспериментальной проверки возможности выявления поперечных трещин сварного шва с помощью наклонного локально-иммерсионного ПЭП.
Образец стальной мелкозернистой трубы 0 279 мм, Ф 8 мм длиной 0,8 м перемещается относительно неподвижного ПЭП. На внутренней и наружной поверхности образца выполнены поперечные риски, которые обозначены ППВ и ППН, соответственно. Глубина рисок 1,5 мм, длина 10 мм. При перемещении образца трубы так, что риска ППВ или ППН перемещается в плоскости преломления акустической оси пучка волн, на экране осциллографа наблюдаются эхосигналы от рисок осциллирующей амплитуды. Огибающая амплитуд эхосигналов показана на рис. 3.9: сплошная линия - огибающая амплитуд эхо-сигналов от ППН, пунктирная линия - от ППВ, при перемещении образца по стрелке Д. Использованный в эксперименте наклонный совмещённый ПЭП имеет пьезопластину 0 6 мм, 5 МГц. Длина пути продольных волн в воде равна 30 мм (изменения длины пути весьма мало влияют на амплитуду эхосигналов).
Использование щелевого акустического контакта при измерении толщины стенки труб
На рис. 3.32 показано размещение пьезоэлементов (ПЭ) на общей призме, установленных под углом к общей рабочей поверхности ПЭП. Вопросы выбора оптимальных углов распространения зондирующего импульса сдвиговых волн в металле стенки трубы (а) в зависимости от различных условий контроля сварного шва рассмотрены в [4]. Например, если принять, что оптимальный угол а равен 45, и необходимо определить соответствующий угол падения излученного импульса продольных волн (3) на границу сред оргстекло-сталь, то согласно закона Снеллиуса: QCT. зiт (3 = рopr. зin а , (3.56) где QCT - скорость распространения сдвиговой волны в стали; Qopr - скорость распространения продольной волны в оргстекле. Так, при Qopr. = 2500 м/сек и QCT = 2900 м/сек, расчетный угол (3 = 37, но экспериментально он оказывается меньше расчетного. В результате исследований установлено, что допустимый разброс угла (3 равен ± 1 .
“Зона захвата” по оси X каждого ПЭ на уровне 0,5 максимальной амплитуды эхосигнала на глубине 100 мм в стали на рис. 3.32, б показана в виде штриховки. Понятие “зона захвата” определяет интервал перемещения ПЭ по оси X, соответствующий уменьшению амплитуды эхосигнала от контрольного отражателя (КО) до уровня 0,5 относительно максимального значения. “Зона захвата” определена следующим способом. Многоэлементный ПЭП закрепляется в специальном механизме, обеспечивающем сканирование ПЭП по осям X, у (рис. 3.32) и ориентацию оси зондирующего пучка УЗ волн относительно поверхности плоскопараллельного стального образца, содержащего КО -плоскодонного отверстия 0 2 мм. Сканирование и ориентация ПЭП осуществляется в иммерсионной ванне. Для любого ПЭ выполняется поиск положения ПЭП, соответствующего максимальному значению амплитуды эхосигнала от КО (Атах). При Атах имеет место ориентация акустической оси ПЭП по нормали к поверхности образца. Смещая ПЭП по оси X до значений 0,5 А , опреде 142 ляем “зону захвата” по оси X. Аналогично определяем “зону захвата” по оси у. Экспериментальная проверка “зоны захвата” по КО 0 2 мм на разной глубине показывает, что “зона захвата” сохраняется неизменной до глубины 100 мм. По оси у на глубине более 50 мм начинается некоторое расширение “ зоны захвата” , обусловленное тем, что размер ПЭ по оси у равен 4 мм, а по оси X равен 18 мм. Существенного значения это расширение не имеет и, поэтому, на рис.3.32 оно не показано.
При ориентации общей рабочей поверхности ПЭП параллельно поверхности образца каждый наклонный ПЭ может работать в совмещённом режиме, назовём “ наклонный совмещённый . Примем, что генератор дефектоскопа в каждом такте возбуждает один ПЭ, а приём эхосигналов можно осуществить несколькими ПЭ. Любую пару ПЭ, размещенных в одну линию, можно рассматривать, как ПЭП типа "тандем", назовем режим “ тандем". Любую пару ПЭ ближайших друг к другу, но размещённых в соседних линиях, можно рассматривать, как наклонный раздельно-совмещённый ПЭП назовем режим “наклонный раздельно-совмещённый”. В п.3.3.6 рассмотрена возможность определения вида дефекта сварного шва на основе приёма эхосигналов тремя ПЭП при возбуждении одного ПЭП. Эта возможность может быть реализована и при использовании восьмиэлементного ПЭП. Для лабораторных испытаний был использован генератор ударного возбуждения с длительностью импульса на уровне 0,5 амплитуды импульса, равной 0,1 мкс и амплитудой 150 В, усилитель приёмника с полосой усиления 0,5-30 МГц и коэффициентом усиления 200, осциллограф. Для проверки ПЭП в разных режимах в качестве контрольного отражателя использовано сквозное отверстие 0 2 мм в плоскопараллельном стальном образце толщиной 30 мм. Работа одного ПЭ в режиме “наклонный совмещённый” показана на рис. 3.33.
Эхосигналы, наблюдаемые на выходе усилителя, показаны на рис. 3.34. В момент 1 = 0 ПЭ возбуждается, импульс продольных волн, излучённый в оргстекло призмы, проходит слой воды и падает на поверхность стального образца. Угол в, соответствующий выбранному оптимальному углу а, определен без рассмотрения влияния контактного слоя жидкости. Экспериментальная проверка показывает, что при достаточной толщине КСЖ, т.е. когда в слое воды при прохождении зондирующего импульса отсутствует интерференция волн, определение угла (3 остается справедливым. В металле возникает зондирующий импульс сдвиговых волн, который отражается от донной части КО. На рис. 3.34 этот эхосигнал обозначен буквой д. Буквой П1 обозначен первый эхосигнал от поверхности образца, а П2 - второй эхосигнал от поверхности образца. При определении временного интервала между П1 и д необходимо фиксировать момент появления П1 не по амплитуде, а по первому появившемуся пику, наблюдаемому на экране осциллографа. Момент появления первого пика 0 соответствует времени прохождения продольной волны туда и обратно по прямой линии между краем ПЭ и поверхностью образца. Этот момент можно принять за начало отсчёта времени (на рис. 3.28 обозначен стрелкой).
