Ультразвуковой контроль сварных соединений, методы и технология контроля techintest.ru

Нет практически ни одной отрасли промышленности, где бы не осуществлялись сварочные работы. Подавляющее большинство металлоконструкций монтируются и соединяются между собой посредством сварочных швов. Само собой, от качества проведения такого рода работ в перспективе зависит не только надёжность возводимого здания, сооружения, машины или какого-либо агрегата, но и безопасность людей, которые будут каким-то образом взаимодействовать с этими конструкциями. Поэтому для обеспечения надлежащего уровня выполнения подобных операций применяется ультразвуковой контроль сварочных швов, благодаря которому можно выявить наличие или же отсутствие различных дефектов в месте соединения металлических изделий. О данном передовом методе контроля и пойдет речь в нашей статье.

История возникновения

Ультразвуковая дефектоскопия как таковая была разработана в 30-х годах. Однако первый реально работающий прибор появился на свет лишь в 1945 году благодаря компании Sperry Products. На протяжении последующих двух десятилетий новейшая технология контроля получила всемирное признание, резко возросло количество производителей подобной техники.

Ультразвуковой дефектоскоп, цена которого на сегодняшний день начинается от 100000 -130000 тысяч рублей, изначально в своей основе содержал вакуумные трубки. Такие приборы отличались громоздкостью и большим весом. Работали они исключительно от источников питания с переменным током. Но уже в 60-х годах, с появлением полупроводниковых схем, дефектоскопы значительно уменьшились в размерах и получили возможность работать от батарей, что позволило в итоге применять устройства даже в полевых условиях.

Шаг в цифровую реальность

На ранних этапах описываемые приборы применяли аналоговую обработку сигналов, за счет чего, как и многие другие подобные устройства, были подвержены дрейфу в момент калибровки. Но уже в 1984 году компания Panametrics ndt дала путевку в жизнь первому портативному цифровому дефектоскопу под названием EPOCH 2002. С этого момента цифровые агрегаты стали высоконадежным оборудованием, идеально обеспечивающим необходимую стабильность калибровки и измерений. Ультразвуковой дефектоскоп, цена которого напрямую зависит от его технических характеристик и марки предприятия-изготовителя, получил также функцию регистрации данных и возможность передачи показаний на персональный компьютер.

В современных условиях все больше и больше вызывают интерес системы с фазированными решетками, в которых используется сложная технология на базе многоэлементных пьезоэлектрических элементов, генерирующих направленные лучи и создающих поперечные изображения, схожие с медицинской ультразвуковой визуализацией.

Сфера применения

Ультразвуковой метод контроля применяется в любом направлении промышленности. Применение его показало, что он может быть одинаково эффективно использован для проверки почти всех типов сварных соединений в строительстве, которые имеют толщину свариваемого основного металла более 4 миллиметров. Кроме того, метод активно используется для проверки соединения стыков газо- и нефтепроводов, различных гидравлических и водопроводных систем. А в таких случаях, как контроль швов большой толщины, полученных в результате электрошлаковой сварки, ультразвуковая дефектоскопия – единственно приемлемый метод осуществления контроля.

Окончательное решение о том, годна ли деталь или сварочный шов к эксплуатации принимается на основе трех основополагающих показателей (критериев) – амплитуды, координат, условны размеров.

В целом же ультразвуковой контроль – именно тот метод, который является самым плодотворным с точки зрения формирования изображений в процессе изучения шва (детали).

Причины востребованности

Описываемый метод контроля с применением ультразвука хорош тем, что он обладает гораздо более высокой чувствительностью и достоверностью показаний в процессе обнаружения дефектов в виде трещин, меньшей стоимостью и высокой безопасностью в процессе использования по сравнению с классическими методами радиографического контроля. На сегодняшний день ультразвуковой контроль сварных соединений применяется в 70-80% случаев проверок.

Ультразвуковые преобразователи

Без применения этих устройств неразрушающий контроль ультразвуковой просто немыслим. Приспособления служат для формирования возбуждения, а также приема колебаний ультразвука.

Агрегаты бывают различными и подлежат классификации по:

• Способу создания контакта с исследуемым изделием.
• Способу подключения пьезоэлементов в электросхему самого дефектоскопа и дислокации электрода относительно пьезоэлемента.
• Ориентации акустической относительно поверхности.
• Числу пьезоэлементов (одно-, двух-, многоэлементные).
• Ширине полосы рабочих частот (узкополосные – полоса менее одной октавы, широкополосные – полоса пропускания превышает одну октаву).

Измеряемые характеристики дефектов

В мире техники и промышленности всем руководит ГОСТ. Ультразвуковой контроль (ГОСТ 14782-86) в этом вопросе также не является исключением. Стандарт регламентирует, что дефекты измеряются по следующим параметрам:

• Эквивалентной площади дефекта.
• Амплитуде эхосигнала, которую определяют с учетом расстояния до дефекта.
• Координатам дефекта в точке сваривания.
• Условным размерам.
• Условному расстоянию между дефектами.
• Количеству дефектов на выделенной длине сварного шва или соединения.

Эксплуатация дефектоскопа

Неразрушающий контроль, коим является ультразвуковой, имеет собственную методику использования, которая гласит, что основной измеряемый параметр – амплитуда эхосигнала, полученная непосредственно от дефекта. Для дифференциации эхосигналов по величине амплитуды фиксируется так называемый браковочный уровень чувствительности. Он, в свою очередь, настраивается при помощи стандартного образца предприятия (СОП).

Начало эксплуатации дефектоскопа сопровождается его настройкой. Для этого выставляется браковочная чувствительность. После этого в процессе проводимых ультразвуковых исследований осуществляется сравнение полученного эхосигнала от обнаруженного дефекта с зафиксированным браковочным уровнем. В случае, если измеренная амплитуда будет превышать браковочный уровень, специалисты принимают решение, что такой дефект является недопустимым. Тогда шов или изделие бракуется и отправляется на доработку.

Наиболее часто встречающимися дефектами свариваемых поверхностей являются: непровар, неполное проплавление, растрескивание, пористость, шлаковые включения. Именно эти нарушения эффективно выявляет дефектоскопия с использованием ультразвука.

Варианты исследований ультразвуком

С течением времени процесс проверки получил несколько действенных методов изучения сварочных соединений. Ультразвуковой контроль предусматривает довольно большое количество вариантов акустического исследования рассматриваемых металлоконструкций, однако наибольшую популярность получили:

• Эхо-метод.
• Теневой.
• Зеркально-теневой метод.
• Эхо-зеркальный.
• Дельта-метод.

Метод номер один

Чаще всего в промышленности и железнодорожном транспорте применяется эхо-импульсный метод. Именно благодаря ему диагностируется более 90% всех дефектов, что становится возможным за счет регистрации и анализа почти всех сигналов, отраженных от поверхности дефекта.

Сам по себе данный метод основывается на прозвучивании металлического изделия импульсами ультразвуковых колебаний с последующей их регистрацией.

Достоинствами метода являются:

- возможность одностороннего доступа к изделию;

- довольно высокая чувствительность к внутренним дефектам;

- высочайшая точность определения координат обнаруженного дефекта.

Однако имеются и недостатки, в числе которых:

- невысокая устойчивость к помехам поверхностных отражателей;

- сильная зависимость амплитуды сигнала от расположения дефекта.

Описываемая дефектоскопия подразумевает под собой посылку в изделие искателем ультразвуковых импульсов. Прием ответного сигнала происходит им же или же вторым искателем. При этом сигнал может отражаться как непосредственно от дефектов, так и от противоположной поверхности детали, изделия (шва).

Теневой метод

Он основывается на подробном анализе амплитуды ультразвуковых колебаний, передающихся от излучателя к приемнику. В случае, когда происходит уменьшение данного показателя, это сигнализирует о наличии дефекта. При этом чем больше размеры самого дефекта, тем будет меньше амплитуда получаемого приемником сигнала. Для получения достоверной информации следует располагать излучатель и приемник соосно на противоположных сторонах исследуемого объекта. Недостатками данной технологии можно считать низкую чувствительность в сравнении с эхо-методом и сложность ориентирования ПЭП (пьезоэлектрических преобразователей) относительно центральных лучей диаграммы направленности. Однако есть и достоинства, которые заключаются в высокой устойчивости к помехам, малой зависимости амплитуды сигнала от расположения дефекта, отсутствии мёртвой зоны.

Зеркально-теневой метод

Данный ультразвуковой контроль качества чаще всего используется для контроля сваренных между собой стыков арматуры. Основной признак того, что дефект обнаружен, заключается в ослаблении амплитуды сигнала, который отражается от расположенной напротив поверхности (чаще всего ее называет донной). Главное достоинство метода – чёткое обнаружение разнообразных дефектов, дислокацией которых является корень шва. Также метод характеризуется возможностью одностороннего доступа ко шву или детали.

Эхо-зеркальный метод

Самый эффективный вариант обнаружения вертикально расположенных дефектов. Проверка осуществляется с помощью двух ПЭП, которые перемещают по поверхности возле шва с одной стороны от него. При этом их движение производят таким образом, чтобы зафиксировать одним ПЭП сигнал, излучаемый от другого ПЭП и дважды отразившийся от имеющегося дефекта.

Главное преимущество метода: с его помощью можно оценить форму дефектов, величина которых превышает 3 мм и которые отклоняются в вертикальной плоскости более чем на 10 градусов. Самое главное – использовать ПЭП с одинаковой чувствительностью. Такой вариант ультразвукового исследования активно применяется для проверки толстостенных изделий и их сварочных швов.

Дельта-метод

Указанный ультразвуковой контроль сварных швов использует ультразвуковую энергию, переизлученную дефектом. Поперечная волна, которая падает на дефект, отражается частично зеркально, частично преобразовывается в продольную, а также переизлучает дифрагированную волну. В итоге происходит улавливание требуемых волн ПЭП. Недостатком метода можно считать зачистку шва, довольно высокую сложность расшифровки полученных сигналов во время контроля сваренных соединений толщиной до 15 миллиметров.

Преимущества ультразвука и тонкости его применения

Исследования сварных соединений с помощью звука высокой частоты - это, по сути, неразрушающий контроль, ведь такой метод не способен нанести каких-либо повреждений исследуемому участку изделия, но при этом довольно точно определяет наличие дефектов. Также особого внимания заслуживает низкая стоимость проводимых работ и их высокая скорость выполнения. Немаловажно и то, что метод абсолютно безопасен для здоровья человека. Все исследования металлов и сварных швов на основе ультразвука проводятся в диапазоне от 0,5 МГц до 10 МГц. В некоторых случаях возможно проведение работ с использованием ультразвуковых волн, имеющих частоту 20 МГц.

Анализ сварного соединения посредством ультразвука должен обязательно сопровождаться проведением целого комплекса подготовительных мер, таких как очистка исследуемого шва или поверхности, нанесение на контролируемый участок специфических контактных жидкостей (гели специального назначения, глицерин, масло машинное). Все это делается для обеспечения надлежащего стабильного акустического контакта, который в итоге обеспечивает получение необходимой картинки на приборе.

Невозможность использования и недостатки

Ультразвуковой контроль абсолютно нерационально применять для обследования сварочных соединений металлов, имеющих крупнозернистую структуру (например, чугуна или же аустенитного шва с толщиной более 60 миллиметров). А все потому, что в таких случаях происходит достаточно большое рассеивание и сильное затухание ультразвука.

Также не представляется возможным однозначно полноценно охарактеризовать обнаруженный дефект (вольфрамовое включение, шлаковое включение и др.).