Мустафин Ф.М. - Сварка трубопроводов

Подрезы:

большой сварочный ток; длинная дуга;

при сварке угловых швов — смещение электрода в сторону вертикальной стенки.

Непровар:

малый угол скоса вертикальных кромок; малый зазор между ними; загрязнение кромок; недостаточный сварочный ток; завышенная скорость сварки.

'

Прожог:

большой ток при малой скорости сварки; большой зазор между кромками; под свариваемый шов плохо поджата

флюсовая подушка или медная подклад­ ка (на трубопроводах не применяется).

Неравномерная форма шва или грубая чешуйчатость:

неустойчивый режим сварки; неточное направление электрода.

Трещины:

резкое охлаждение конструкции; высокое напряжение в жестко закреп­ ленных конструкциях; повышенное содержание серы или фос­ фора.

Перегрев (пережог) металла:

чрезмерный нагрев околошовной зоны; неправильный выбор тепловой мощности; завышенные значения мощности пла­ мени или сварочного тока.

дефектов сварных швов

255

здают резкую концентрацию напряжений. Трещины появляются при сварке высокоуглеродистых и легированных сталей в резуль­ тате слишком быстрого охлаждения.

Иногда трещины возникают при охлаждении сваренных заго­ товок на воздухе. Они могут располагаться вдоль и поперек свар­ ного соединения, а также в основном металле, в месте сосредото­ чения швов и приводить к разрушению сварной конструкции. Сварные соединения с трещинами подлежат исправлению.

Несплавления кромок основного металла с наплавленным или слоев шва между собой при многослойной сварке называют не­ проваром, представляющим собой несплошность между основ­ ным и наплавленным металлом.

Непровары чаще всего образуются при небольшом зазоре между кромками и малом угле их скоса, завышенном притуплении и загрязнении кромок, неточном направлении электродной прово­ локи относительно места сварки, недостаточном сварочном токе или чрезмерно большой скорости сварки. Они снижают работо­ способность сварного соединения за счет ослабления рабочего сечения, создают концентрацию напряжений в шве.

Упомянутые выше дефекты встречаются при сварке плавле­ нием. Они уменьшают рабочее сечение шва, создают концентра­ цию напряжений и способствуют ускоренному разрушению кон­ струкции. Если в сварном соединении сосудов и трубопроводов имеются сквозные дефекты, то через них происходит утечка жид­ костей и газов.

6.2. КОНТРОЛЬ ВНЕШНИМ ОСМОТРОМ И ИЗМЕРЕНИЕМ

Внешним осмотром, или, как его часто называют, визуальным контролем, проверяют качество подготовки и сборки заготовок под сварку, качество выполнения швов в процессе свар­ ки и качество готовых сварных швов. Обычно осматривают все сварные соединения независимо от применения других видов контроля. Внешний осмотр во многих случаях достаточно инфор­ мативен. Это наиболее дешевый и оперативный метод контроля.

Внешнему осмотру подвергают сварной шов и зону прилегаю-

256

щего к нему основного металла на расстоянии не менее 20 мм от границы шва по всей протяженности сварного соединения с двух сторон.

Контроль внешним осмотром сварных соединений, подверга­ ющихся термообработке, осуществляется до и после нее. Сварные соединения, для которых радиационный, ультразвуковой и другие методы неразрушающего контроля невозможны, следует контро­ лировать внешним осмотром после выполнения каждого слоя шва.

Условия проведения контроля внешним осмотром и измере­ нием, объем контроля и нормы допустимых дефектов определяют­ ся техническими условиями на продукцию.

При внешнем осмотре контролируемый сварной шов должен быть хорошо освещен. Внешний осмотр осуществляют невоору­ женным глазом или с помощью обзорной либо измерительной лупы 4— 10-кратного увеличения после тщательной очистки швов, околошовной зоны от шлака, брызг и других загрязнений. Свар­ ные швы, скрытые близлежащими деталями и недоступные пря­ мому наблюдению, осматривают с помощью оптических прибо­ ров — эндоскопов. В промышленности применяют перископиче­ ские дефектоскопы с телескопической зрительной трубкой, объективом, подвижным окуляром и прямоугольной оптической призмой, изменяющей направление лучей на 90 °. Для измерения используют стальную линейку или рулетку, а также штангенцир­ куль.

Для замера конструктивных элементов сварных швов разра­ ботан универсальный шаблон сварщика, предназначенный для контроля качества элемента труб при сборке и сварке стыков магистральных трубопроводов.

Универсальный шаблон сварщика УШС2 (рис. 6.2) состоит из пластин, основания с нанесенными на нем метками и движка с закрепленной на нем измерительной иглой, которая поворачива­ ется вокруг оси. На основании имеются комбинированные выре­ зы для замера диаметров сварочной проволоки. Универсальный шаблон позволяет контролировать глубину раковин и забоин, углы скоса и др. С помощью шаблона можно контролировать ши­ рину зазора, форму и глубину разделки стыка. Для измерения вы­ соты наружного сварного шва труб диаметром 530— 1620 мм при­ меняют индикатор (рис. 6.3) с базой 60 мм.

Рис. 6.2. Универсальный шаблон свар­ щика (а) и примеры его использова­ ния для контроля глубины раковин (б), забоин (в), формы разделки сты­ ков (г), ширины зазора (д)

6.3. РАДИОГРАФИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

Радиографический контроль, основанный на использовании ионизирующего излучения, позволяет получать изображения внутренней структуры сварного соединения (рис. 6.4). Интенсивность излучения, прошедшего сквозь контро­ лируемое изделие, меняется в зависимости от плотности материа­ ла и толщины. По результатам измерения интенсивности прошед­ шего излучения за объектом определяют наличие в нем дефектов.

Радиографический контроль применяют для выявления в сварных соединениях внутренних дефектов: трещин, непроваров, усадочных раковин, пор, шлаковых, вольфрамовых, оксидных и других включений [1, 23].

258

Чувствительность радиографического контроля зависит от следующих основных факторов: энергии прямого излучения, плотности и толщины просвечиваемого металла, формы и места расположения дефекта по толщине исследуемого металла, усло­ вий просвечивания (геометрических размеров изделия, источни­ ка излучения, поверхности облучения и фокусного расстояния), оптической плотности и контрастности снимка, сорта и качества пленки или фотобумаги, типа усиливающего экрана и т. д. Поэто­ му она на практике определяется экспериментально. Чувствитель­ ность контроля может быть также определена как наименьший диаметр выявляемой на снимке проволоки проволочного эталона или наименьшая глубина выявляемой на снимке канавки канавочного эталона согласно ГОСТ 7512 — 82.

Конкретные значения чувствительности установлены техни­ ческой документацией (требованиями чертежей, техническими условиями, правилами контроля и приемки) на контролируемые изделия.

Выпускаемые отечественной промышленностью источники ионизирующего излучения для неразрушающего контроля рас­ считаны на диапазон энергии примерно 10 кэВ — 35 МэВ. Это рент­ геновские аппараты, гамма-дефектоскопы и специальные элект­ рофизические установки — ускорители электронов. Рентгенов­ ские аппараты применяют в цеховых и реже в полевых условиях, а также в случаях, когда к качеству сварных соединений предъяв­ ляются высокие требования. Гамма-дефектоскопы используют при контроле сварных соединений больших толщин, а также сты­ ков, расположенных в труднодоступных местах, в полевых усло­ виях. Ускорители электронов эффективны при дефектоскопии со­ единений большой толщины, в основном в цеховых условиях.

Рентгеновский аппарат служит для получения рентгеновского излучения с заданными параметрами и состоит из рентгеновской

260

6.4. РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

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-

262

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.

263

6.5. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

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

264

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, пьезоэлемент, 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/А- (где С — скорость, X — длина волны звука в контролируемом изделии).

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

265

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 пьезоэлементом 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 уг­ 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

266