Сварка трубопроводов

трубки, генератора высокого напряжения и аппаратуры управле­ ния.

Рентгеновская трубка, которая является основным блоком рентгеновского аппарата, представляет собой вакуумный баллон, содержащий катод, устройство для фокусировки электронов и анод. Источником электронов в большинстве рентгеновских ап­ паратов служит подогреваемый катод. Исключение составляют импульсные рентгеновские трубки с холодным катодом, в кото­ рых использован принцип автоэлектронной эмиссии.

Для контроля сварных соединений различных металлоконст­ рукций широко применяют гамма-дефектоскопы, в которых ис­ пользованы источники гамма-излучения. Основными характери­ стиками источника гамма-излучения являются энергия излучения, период полураспада и начальная активность. Две первые величи­ ны являются физическими характеристиками изотопа, в то время как последняя зависит от массы источника.

Радиографический контроль следует проводить после устра­ нения обнаруженных при внешнем осмотре сварного соединения недопустимых наружных дефектов и зачистки его от неровно­ стей, шлака, брызг металла, окалины и других загрязнений, изоб­ ражения которых на снимке могут помешать расшифровке снимка.

После зачистки сварного соединения и устранения недопу­ стимых наружных дефектов должна быть выполнена разметка сварного соединения на участки и маркировка (нумерация) участков.

Система разметки и маркировки участков определяется тех­ нической документацией на контроль или приемку сварных соединений.

ПрИ контроле на каждом участке должны быть установлены эталоны чувствительности и маркировочные знаки. Эталоны чув­ ствительности следует устанавливать на контролируемом участке со стороны, обращенной к источнику излучения.

ГаММа-дефектоскоп в простейшем случае представляет собой радиационно-защитное устройство, снабженное приводом для уп­ равления перемещением гамма-источника и перекрытием пучка ионизирующего излучения. В состав оборудования, применяемо­ го для радиационного контроля сварных швов, кроме гамма-де- фектосКопов входят штативы и другое вспомогательное оборудо­ вание.

Сущность метода заключается в преобразовании плотности потока или спектрального состава прошедшего излуче­ ния в пропорциональный им электрический сигнал (напряжение, ток). Радиометрическая установка содержит источник излучения, детектор, электронную схему обработки информации, регистри­ рующее устройство. Радиометрический контроль в основном применяется для контроля металлоконструкций и сварных соеди­ нений в заводских условиях. На трубопроводах применяется редко [1, 23].

При радиометрическом контроле сварных соединений нашли применение два основных метода: среднетоковый и импульсный. В основном различие между ними определяется способом регист­ рации прошедшего излучения и электронной обработки дефек­ тоскопической информации.

Источниками ионизирующего излучения в радиометрическом контроле служат радиоизотопные дефектоскопы, ускорители, реже рентгеновские аппараты,

Детекторами служат ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, полупроводниковые и сцинтилляционные детекторы.

Преимущества радиометрии: высокая чувствительность, воз­ можность бесконтактного контроля качества движущихся изде­ лий при их поточном производстве, высокое быстродействие элек­ тронной аппаратуры, обусловленное электрической природой вы­ ходного сигнала, что позволяет получить большую производитель­ ность контроля.

Используя радиоизотопные источники излучения и ускорите­ ли, можно контролировать стальные изделия толщиной до 500 мм с чувствительностью контроля примерно 2 %.

Основным недостатком радиометрии является появление сиг­ налов от дефекта и локальных изменений толщины изделия (вы­ пуклости шва), определяемых состоянием внешней поверхности и качеством обработки. Это затрудняет возможность определения формы, размеров и глубины залегания дефекта. Для уменьшения влияния неровностей поверхности сварного шва разработана ме­ тодика оптимизации размеров детекторов в зависимости от сред­ него периода неоднородности выпуклости сварного шва. Помеха, связанная с колебаниями толщины, устраняется пространствен­

ной фильтрацией, которая осуществляется путем выбора размера радиометрического детектора. Пространственная фильтрация ос­ нована на том, что колебания толщины характеризуются перио­ дичностью. Поверхность сварного шва можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний толщины, причем амплитуда определенной синусоиды зависит от длины волны. С помощью ра­ диометрического детектора, регистрирующего излучение, про­ шедшее сквозь контролируемый сварной шов, усредняется тол­ щина контролируемого материала вдоль продольного размера детектора. Поэтому при радиометрическом контроле происходит сглаживание спектра. Варьируя размер детектора, можно исклю­ чить из исходного спектра определенные гармоники. Например, если в продольном размере детектора укладывается целое число основных гармоник спектра неоднородности сварного шва, то ос­ новная гармоника сглаживается. Пространственная фильтрация позволяет значительно уменьшить помеху, обусловленную не­ однородностью сварного шва. На основании этой методики разра­ ботаны блочные полупроводниковые детекторы ионизирующего излучения для контроля сварных соединений с неровной поверх­ ностью.

С учетом особенностей радиометрического контроля дефект характеризуется следующими параметрами сигнала: амплитудой, протяженностью, крутизной переднего и заднего фронтов им­ пульсов, конфигурацией вершины кривой, описывающей им­ пульс. Протяженность характеризует длину дефекта в направле­ нии перемещения контролируемого изделия. Крутизна переднего и заднего фронтов характеризует тип дефекта. Конфигурация вершины импульса характеризует сечение дефекта вдоль оси про­ свечивания. Плавные изменения сигнала указывают на равномер­ ное изменение размера дефекта вдоль зоны контроля. Резкие скачки свидетельствуют о скоплении мелких дефектов, располо­ женных на малом расстоянии друг от друга. Оператор по харак­ терным признакам сигнала определяет тип дефекта.

Для повышения производительности контроля увеличивается число каналов регистрации. Система автоматики осуществляет измерение текущих координат.

Ультразвуковые волны, используемые в дефек­ тоскопии, представляют собой упругие колебания частотой свыше 20 кГц, возбуждаемые в материале изделия. При этом частицы ма­ териала не перемещаются вдоль направления движения волны, каждая частица, совершив колебательное движение относительно своей первоначальной ориентации, снова занимает исходное по­ ложение. В металлах ультразвуковые волны распространяются как направленные лучи [ 1, 5, 25].

Ультразвуковые волны обладают способностью проникать

вглубь материала, что используется для обнаружения достаточно малых внутренних дефектов. Распространение ультразвуковых волн подчиняется законам геометрической оптики. Упругая волна

внаправлении распространения несет определенную энергию, и по мере удаления от излучателя интенсивность волн, т. е. количе­ ство энергии, переносимое волной за 1 с сквозь поверхность пло­ щадью 1 м2, падает, а амплитуда колебаний частиц убывает.

Вметаллах возбуждаются волны нескольких типов: попереч­ ные, продольные, поверхностные и др. Возникновение волн того или иного типа определяется упругими свойствами объекта и его формой. Если частицы совершают колебательные движения, со­ впадающие с направлением движения волны по объекту, то это продольные волны. Когда направление колебания частиц перпен­ дикулярное, то это поперечные (сдвиговые) волны. В объектах, толщина которых соизмерима с длиной волны (листовой матери­ ал), могут возникать волны изгиба (нормальные).

Вкачестве источников энергии в ультразвуковых дефектоско­ пах используют электронные генераторы. Получаемые в них элек­ трические импульсы преобразуются в ультразвуковые механиче­ ские колебания с помощью преобразователей, основанных на пьезоэлектрическом эффекте.

Наибольшее распространение имеют пьезоэлектрические преобразователи, представляющие собой пластинку, изготовлен­ ную из монокристалла кварца или пьезокерамических материа­ лов: титаната бария, цирконаттитаната свинца и др. На поверхно­ сти этих пластинок наносят тонкие электроды и поляризуют их в постоянном электрическом поле. Излучающую пластинку мон­ тируют в специальной выносной искательной головке, связанной

с генератором коаксиальным кабелем.

Для контроля сварных соединений используют различные типы преобразователей с возбуждением в контролируемом изде­ лии продольных, сдвиговых, поверхностных волн. Все преобразо­ ватели имеют следующие основные элементы: корпус, пьезоэле­ мент, электроды, демпфер, протектор или призму. При ультразву­ ковом контроле используют несколько методов прозвучивания сварных швов.

Метод отраженного излучения (эхо-метод) является основным при контроле сварных соединений. Этот метод основан на посыл­ ке в контролируемое изделие коротких импульсов, на регистра­ ции амплитуды и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов. Импульс, посланный излучателем, проходит сквозь из­ делие и отражается от противоположной стороны (поверхности). Если имеется дефект, то импульс отражается от него, что будет за­ регистрировано на экране дефектоскопа в виде импульса, при­ шедшего раньше донного отражения.

Аппаратура для ультразвукового контроля сварных соедине­ ний представляет собой комплекс приборов и устройств, предназ­ наченных для выявления внутренних дефектов в сварных швах и исследования структуры металла.

Весь комплекс аппаратуры можно разделить на основные группы: ультразвуковые дефектоскопы и анализаторы; комплекты эталонов и тест-образцов для поверки и настройки приборов; ко­ ординатные линейки и шаблоны для определения места располо­ жения отражающих поверхностей; вспомогательные приспособ­ ления.

Ультразвуковой дефектоскоп представляет собой прибор для излучения и приема ультразвуковых колебаний, а также для опре­ деления координат выявленных дефектов.

Эхо-сигналы регистрируют, как правило, на экране электрон­ но-лучевой трубки. Технические характеристики дефектоскопов представлены в табл. 6.1. Фотографии современных дефектоспоков приведены на рис. 6.5.

Для контроля важно знать рабочую частоту ультразвуковых колебаний / = С/Х (где С — скорость, X — длина волны звука в контролируемом изделии).

Под рабочей частотой / понимают частоту спектра излучаемо­ го акустического сигнала, имеющую максимальную амплитуду.

Таблица 6.1

Некоторые технические характеристики ультразвуковых дефектоскопов ________________________

Форма электрического импульса генератора дефектоскопа может значительно искажаться в акустическом преобразователе электрических колебаний. Импульс, излучаемый генератором ударного возбуждения, в результате взаимодействия с пьезоэле­ ментом акустического преобразователя приближается к несим­ метричному колоколообразному (с более крутым передним фрон­ том). Длительность импульса определяется числом периодов коле­ баний (или соответствующим интервалом времени), амплитуда ко­ торых превышает 0,1 от его максимального значения [23, 25].

Чувствительность ультразвукового контроля определяется минимальными размерами выявляемых дефектов или моделей дефектов. Для оценки координат важна точка ввода луча — место пересечения акустической оси с поверхностью преобразователя, контактирующей с изделием,

Угол ввода луча в контролируемом изделии определяется ут­ лом между перпендикуляром к поверхности, на которой установ­ лен преобразователь, и линией, соединяющей центр цилиндриче­ ского отражателя с точкой ввода при установке преобразователя в такое положение, когда амплитуда эхо-сигнала от отражателя

наибольшая. Дефектоскоп характеризуется динамическим диапа­ зоном — максимальным изменением амплитуды принимаемого сигнала, которое можно наблюдать на экране ЭЛТ дефектоскопа без регулирования чувствительности, и максимальной акустиче­ ской чувствительностью, т. е. отношением амплитуд минимально­ го сигнала, который регистрируется дефектоскопом, к амплитуде зондирующего импульса. Оценивается и электрическая чувстви­ тельность — отношение минимального электрического сигнала, регистрируемого дефектоскопом, к амплитуде сигнала генерато­ ра. К эксплуатационным параметрам относят чувствительность контроля и разрешающую способность.

Чувствительность контроля характеризует минимальные раз­ меры дефектов того или иного типа, выявляемых в изделиях или сварных соединениях определенного типа. Ее можно оценить ста­ тистической обработкой результатов контроля и металлографи­ ческого исследования большой серии объектов этого вида.

Разрешающая способность эхо-метода определяется мини­ мальным расстоянием между двумя одинаковыми дефектами, при котором они фиксируются раздельно. Различают лучевую и фрон­ тальную разрешающую способность. Лучевая разрешающая спо­ собность — это минимальное расстояние между двумя отражаю­ щими поверхностями в направлении прозвучивания, при котором они регистрируются раздельно. Фронтальная разрешающая спо­ собность — минимальное расстояние между двумя одинаковыми дефектами или моделями дефектов, залегающих на одинаковой глубине от поверхности ввода луча.

Эхо-метод позволяет контролировать сварные соединения при одностороннем доступе к ним. По величине отраженного эхосигнала можно составить представление о размере дефекта. У преобразователей есть так называемая мертвая зона — участок непосредственно у поверхности детали. В этой зоне дефект нельзя обнаружить, так как в момент возвращения эхо-сигнала от дефек­ та еще продолжается излучение прямого импульса.

Рассмотрим общие положения УЗК применительно к контро­ лю сварных соединений, выполненных дуговой сваркой.

При контроле сварных соединений необходимо обеспечивать тщательное прозвучивание металла шва. Ультразвуковые волны вводят в шов через основной металл с помощью наклонных аку­ стических преобразователей. Различают способы прозвучивания

прямым лучом, однократно и многократно отраженными лучами (рис. 6.6) [23].

Контроль сварных швов, как правило, осуществляют эхо-ме- тодом с включением акустического преобразователя по совме­ щенной схеме. Раздельную и раздельно-совмещенную схемы включения преобразователей применяют, если контроль по со­ вмещенной схеме не обеспечивает достаточную достоверность.

Объекты контроля должны иметь очищенную от сварочных брызг поверхность для обеспечения акустического контакта пре­ образователя с контролируемым изделием. При контроле на гори­ зонтальной поверхности в качестве контактной среды используют воду, в других случаях — масло или пасту, особенно при контроле вертикальных стыков.

Форма валика шва на качество контроля оказывает сильное влияние, так как эхо-сигналы от валика маскируют эхо-сигналы от дефектов, особенно при малом угле прозвучивания.

Критериями для разбраковки при ультразвуковом контроле чаще всего служат амплитуда эхо-сигнала, а также условные высо­ та, ширина и протяженность дефекта. Условная протяженность

характеризует размеры дефекта вдоль шва (в плане), а условные ширина и высота — размеры дефекта в сечении шва.

Условную поверхность дефекта измеряют длиной зоны пере­ мещения искателя вдоль шва, в пределах которой воспринимается эхо-сигнал от выявленного дефекта. Аналогично при перемеще­ нии преобразователя нормально ко шву измеряют условную ши­ рину дефекта.

Условную высоту дефекта вычисляют по разности интервалов времени между зондирующими импульсами и эхо-импульсами при крайних положениях преобразователя, между которыми из­ меряли условную ширину. Имеется несколько способов задания крайних положений искателя при измерении условных размеров.

Вкачестве эталонных отражателей обычно используют плос­ кодонные сверления, ориентированные перпендикулярно к на­ правлению прозвучивания, боковые сверления или зарубки.

Внашей стране используют четыре стандартных образца. Эти образцы применяют для определения чувствительности, разреша­ ющей способности, точности глубиномера и угла призмы преобра­ зователя. Образец изготовляют из органического стекла. На об­ разце имеется набор боковых цилиндрических отражателей диа­ метром 2 мм, амплитуда сигнала от которых изменяется на 30 — 50 дБ, что достаточно для решения большинства задач ультразву­ ковой дефектоскопии сварных соединений.

При разработке методики контроля основное внимание уделя­ ют надежному выявлению дефектов при возможно меньшем ко­ личестве необходимых операций.

Впроцессе отработки методики контроля выбирают экспери­ ментально оптимальные параметры (частоту ультразвуковых ко­ лебаний, чувствительность и угол призмы преобразователя). При

этом данные ультразвуковой дефектоскопии сопоставляют с результатами рентгенографии, осмотра излома или металлогра­ фического исследования сварных швов.

Настраивая дефектоскоп на поисковую чувствительность, оп­ ределяют способ прозвучивания, тип преобразователей и пределы их перемещения, а также характер ожидаемых дефектов. Особое внимание уделяют тем дефектам, отражение от которых можно получить лишь тогда, когда их поверхность перпендикулярна к акустической оси преобразователя.

Рассмотрим контроль сварных швов, получаемых контактной