«Ткаченко Андрей Акимович Развитие методов, разработка оборудования и технологии ультразвукового контроля электросварных труб в процессе производства Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, ...»

На правах рукописи

УДК 620.179.16

Ткаченко Андрей Акимович

Развитие методов, разработка оборудования

и технологии ультразвукового контроля

электросварных труб в процессе производства

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Бобров В.Т.

Москва - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений и основных обозначений

Введение

Глава 1. Ультразвуковой контроль электросварных труб.

Обзор состояния

1.1.Металлургические аспекты сварки т р у б

1.2.Технология производства электросварных труб большого диаметра....... 1.3.Дефекты сварных швов труб, возникающие при сварке давлением 1.4.Дефекты сварных швов труб, возникающие при сварке плавлением 1.5.Методы и оборудование УЗ контроля сварных швов т р у б

1.6.Факторы, влияющие на достоверность автоматизированного УЗ контроля сварных швов т р у б

1.6.1.Смещение сварного шва относительно акустического блока................ 1.6.2.Состояние акустического контакта

1.6.3.Индустриальные и акустические помехи

1.6.4.Форма и пространственное положение дефектов

1.7.Выводы

Глава 2. Исследование акустического тракта при УЗ контроле сварных швов труб

2.1.Анализ прохождения ограниченного пучка импульса сдвиговых волн в металл стенки трубы

2.2.Зависимость амплитуды эхосигнала от расстояния до точки ввода сдвиговых волн и влияние её характера на параметры контроля

2.3.Влияние температуры на угол ввода сдвиговых волн в металл стенки трубы

2.4.Возможность использования зависимости амплитуды эхосигнала от расстояния до точки ввода сдвиговых волн

2.5.Выбор зоны контроля в зависимости от расстояния до точки ввода сдвиговых волн

2.6.Особенности прохождения импульса УЗ волн через контактный слой ж идкости

2.7.Снижение влияния акустического контакта применением автоматической регулировки усиления

2.8.Вывод ы

Глава 3. Особенности автоматизированного контроля сварных швов труб

3.1.Контроль сварного шва труб со снятым гратом заподлицо

3.1.1.Выявление участка периметра трубы, содержащего сварной ш о в 3.1.2.Выявление и слежение за сварным швом по шумовым сигналам 3.1.3.Выявление непроваров и продольных трещин в сварном шве трубы дельта-методом

3.1.4.Выявление поперечных трещин сварного шва трубы

3.2.Контроль сварного шва труб с гратом на внутренней поверхности 3.2.1.Регулировка канала дефектоскопии по эхосигналам от грата движущегося шва

3.2.2.Использование эхосигналов от грата при автоматической регулировке усиления

3.3.Контроль сварного шва труб с нормированной формой валиков усиления

3.3.1.Слежение зоны контроля по эхосигналам от дальней кромки валика усиления ш в а

3.3.2.Исследование способов помехозащиты и регистрации эхосигналов от дефектов металла ш в а

3.3.3.Компенсация нестабильности акустического тракта автоматической регулировкой усиления

3.3.4.Схема прозвучивания шва и структурная схема дефектоскопа 3.3.5.Вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности контроля сварного шва труб

3.3.6.Возможность определения вида дефекта сварного ш ва

3.3.7.Многоэлементный пьезопреобразователь для контроля сварного шва труб большого диаметра

3.4.Особенности контроля сварного шва труб с ненормированной формой валика усиления

Глава 4. Автоматизированный ультразвуковой контроль концевых участков т р у б

4.1.Выявление расслоений в стальных трубах при щелевом способе ввода ультразвука

4.2.Использование щелевого акустического контакта при измерении толщины стенки труб

4.3.Вывод ы

Глава 5. Создание установок ультразвукового контроля электросварных труб в потоке производства

5.1.Принципы построения установок автоматизированного УЗ контроля электросварных труб

5.2.Структурные схемы установок для автоматизированного УЗ контроля труб

5.2.2.Установки автоматизированного УЗ контроля концевых участков труб

5.2.3.Структура программного обеспечения установок УЗ контроля сварного шва и концов труб

5.3.Метрологические аспекты автоматизированного УЗ контроля электросварных труб

5.4.Некоторые результаты испытаний установок

5.5.Выводы

Основные выводы и результаты работы

Список литературы

Приложения

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ И ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ

АРУ - Автоматическая регулировка усиления ВРЧ - Временная регулировка чувствительности ДП - Приёмник УЗ сигналов при контроле шва дельта-методом ИИ - Измерительный интервал КСЖ - Контактный слой жидкости ПЭП - Пьезоэлектрический преобразователь ПК - Промышленный компьютер ПО - Программное обеспечение СИ - Синхроимпульс СТИ - Строб-импульс ТЭСА - Трубоэлектросварочный агрегат УЗ - Ультразвук, ультразвуковой ЭЛТ - Электронно-лучевая трубка аш - Угол ввода пучка сдвиговых волн в металл стенки трубы А гр - Эхосигнал от грата шва Ад - Эхосигнал от дефекта шва Ак - Эхосигнал от дальней кромки валика усиления Аш - Шумовой сигнал ультразвука Р - Угол падения волн на поверхность изделия из призмы ПЭП Сж - Скорость ультразвука в жидкости С1 - Скорость продольных волн в призме ПЭП С - Скорость сдвиговых волн в стали А - Толщина стенки трубы Аж - Толщина контактного слоя жидкости Бц - Коэффициент прозрачности при прохождении через границу сред продольных волн и их трансформации в сдвиговые волны {Д} - Серия донных эхосигналов Ь0 - Текущее расстояние по периметру трубы от точки ввода сдвиговых волн до отражателя, расположенного в центре шва Хс - Длина сдвиговой волны в стали Ь0 - Оптимальное расстояние по периметру трубы от точки ввода сдвиговых волн до отражателя, расположенного в центре шва Р - Давление в ультразвуковой волне хнт. - Постоянная времени Тз.с. - Период повторения зондирующих сигналов Тинт. - Период интегрирования хп. - Дискретная постоянная времени

ВВЕДЕНИЕ

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 ка­ чественных электросварных труб, являющихся основным звеном в структуре стоящихся магистральных и локальных продуктопроводов. Это, в свою оче­ редь, стимулировало активизацию проектирования и строительства высокопро­ изводительных трубоэлектросварочных агрегатов (ТЭСА), представляющих собой автоматизированные станы с непрерывным циклом производства электросварных труб. Высокая эффективность производства электросварных труб, введение в эксплуатацию ТЭСА индукционной и радиочастотной сварки, по­ зволивших повысить скорость сварки до 1...2-х м/сек и существенно улучшить качество сварных швов, обеспечили расширение областей применения электро­ сварных труб. Накоплен значительный опыт использования таких труб взамен более дорогих бесшовных труб без потери надежности в таких ответственных системах как гидравлические напорные линии. Широко используются электросварные трубы в качестве обсадных при обустройстве нефтяных и газовых скважин. Трубы большого диаметра - прямошовные и спиральношовные, кото­ рые используются при строительстве магистральных газонефтепроводов, про­ изводятся сваркой плавлением.

Анализ схемы технологического потока ТЭСА показывает, что в процессе изготовления труба проходит несколько десятков технологических операций, в той или иной мере влияющих на качество сварного шва. Любые отклонения па­ раметров техпроцесса сварки, а также исходного металла (ленты, штрипса, лис­ та) влияют на возникновение дефектов сварного шва и на прочностные пара­ метры сварной трубы в целом. В связи с этим важную роль в обеспечении оп­ тимальных режимов сварки и качества сварного шва играют являющиеся не­ отъемлемой частью технологии и технологического оборудования неразру­ шающие методы и средства контроля качества сварных труб. Из мировой прак­ тики известно, что стоимость операций неразрушающего контроля (НК) дости­ гает 20-25% от общей стоимости сварных конструкций, а трудоёмкость контро­ ля сопоставима с трудоёмкостью сварки. По зарубежным данным на техниче­ скую диагностику и периодическое обследование затрачивается не менее 10­ 15% общей стоимости трубопроводов. Тем не менее эти затраты многократно меньше потерь, с которыми приходится иметь дело при ликвидации аварий на нефтегазопроводах, наносящих огромный материальный и экологический ущерб.

Очевидно, что обеспечить высокую эксплуатационную надёжность свар­ ных труб можно только при 100 % - ном контроле с использованием комплекса высокопроизводительных методов и аппаратуры НК. Для обоснованного выбо­ ра методов контроля выполнены исследования, разработаны аппаратура, техно­ логии и методики контроля, обеспечившие приемлемый уровень качества про­ изводства труб. Но в процессе эксплуатации трубопроводов и других сооруже­ ний и конструкций с применением сварных труб всё ещё выявляется значи­ тельное количество дефектов, связанных с нарушением технологии сварки и недостаточным объёмом и качеством НК. В комплексе методов НК, используе­ мых при производстве электросварных труб, важнейшее место занимают ульт­ развуковой, рентгенделевизионный, магнитографический и др. Каждый из ме­ тодов НК имеет свои особенности, достоинства и недостатки, которые не по­ зволяют решить проблему контроля сварных швов труб всеобъемлюще. Это связано и с тем, что в силу различия используемых технологий и методов свар­ ки возникающие дефекты отличаются видом, размерами, местоположением и другими характеристиками. Несмотря на достижение значительного прогресса, многие проблемы автоматизированного УЗ контроля сварных швов еще далеки от своего решения.

Необходимость решения указанных проблем потребовала проведения но­ вых исследований, разработки методологии, новых методов и более совершенных средств НК сварных труб. Современные средства НК для контроля свар­ ных швов и концевых участков труб представляют собой сложный комплекс механических устройств, акустических блоков, аппаратуры и управляющих вы­ числительных комплексов (УВК) с использованием промышленных компьюте­ ров. Применение УВК существенно расширяет возможности УЗ контроля электросварных труб, но требует разработки специальных алгоритмов и программ­ ного обеспечения для решения проблем комплексной диагностики процесса их производства.

Цель данной диссертационной работы состоит в решении проблемы по­ вышения эффективности производства, достоверности ультразвукового нераз­ рушающего контроля электросварных труб и надежности функционирования нефтегазопроводов. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.

В первой главе дан краткий анализ причин отказов магистральных трубо­ проводов, структура видов дефектов, выявляемых в электросварных трубах при производстве и степень их опасности. Описаны методы производства труб сваркой давлением и сваркой плавлением, основные этапы технологии произ­ водства прямошовных труб большого диаметра, как наиболее востребованных для строительства ответственных трубопроводных магистралей, охарактеризо­ ваны основные виды дефектов, возникающих в сварном шве при различных ви­ дах сварки. Сформулированы проблемы, влияющие на достоверность автомати­ зированного УЗ контроля сварных швов и околошовной зоны труб, определены известные способы компенсации влияющих факторов и задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты исследований акустического трак­ та применительно к условиям автоматизированного контроля сварных швов труб с целью определения условий выбора зоны контроля металла шва при ос­ циллирующем и не осциллирующем характере амплитуды эхосигнала от де­ фекта в зависимости от расстояния до него. Исследовано влияние температуры звеньев акустического тракта на смещение зоны контроля и предложены реше­ ния по выбору зоны контроля сварных швов труб в потоке производства. Исследованы и разработаны способы автоматического формирования следящего строб-импульса, формирования управляющих сигналов автоматической регу­ лировки усиления (АРУ) и контроля качества акустического контакта.

В третьей главе теоретически исследованы и разработаны способы повы­ шения достоверности автоматизированного контроля сварного шва труб, вы­ полненных контактной сваркой со снятым гратом заподлицо путем выявления сварного шва и слежения за ним по информационным сигналам из зоны свар­ ного шва, применения перспективных методов выявления опасных плоскост­ ных дефектов в сварном шве. Предложены варианты регулировки канала де­ фектоскопии и автоматической регулировки усиления тракта по эхосигналам от внутреннего грата движущегося шва. Особое внимание уделено решению про­ блем УЗ контроля сварных труб большого диаметра с валиком усиления. Это исследование и разработка способов слежения за сварным швом и формирова­ ния следящих строб-импульсов, по информативным сигналам от кромок валика усиления, учитывающим изменение угла ввода УЗ колебаний, исследование и разработка способов помехозащиты и регистрации сигналов от дефектов, вари­ анты компенсации нестабильности акустического тракта автоматической регу­ лировкой усиления. Исследована теория вероятностного и корреляционного способов повышения достоверности автоматизированного УЗ контроля сварно­ го шва труб, позволяющих определять вид выявленного дефекта по относи­ тельной вероятности появления определенных сочетаний эхосигналов от де­ фекта, представленных в бинарном коде при движении шва относительно не­ подвижной акустической системы пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). Для контроля сварных швов толстостенных труб большого диаметра с целью упрощения конструкции акустического блока разработан многоэлемент­ ный наклонный ПЭП, позволяющий, в том числе, определять вид выявленного дефекта шва, используя относительную вероятность получения сигналов от не­ скольких пьезопластин ПЭП как сочетания нескольких битов.

В четвертой главе исследованы особенности выявления дефектов типа «расслоение» в металле стенки краевых полос концов труб, а также возможность автоматизированного измерения толщины стенки, используя щелевой ва­ риант акустического контакта. Выполнен анализ возбуждения и приема УЗ им­ пульсов раздельно-совмещенным (р/с) ПЭП при использовании длинного кабе­ ля, соединяющего ПЭП с аппаратурой электронного комплекса.

Пятая глава посвящена разработке методологии комплексного УЗ кон­ троля сварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики про­ цесса их производства, разработке принципов и вариантов построения аппарат­ но-программных комплексов и внедрению в промышленность установок для автоматизированного УЗ контроля сварных швов и концевых участков труб.

Показана ретроспектива структурного и аппаратного совершенствования обо­ рудования контроля: установки УД-82УА и УД-77БМ, установки ИнтроскопКСШ1, установки НК360, НК361 и НК362, построенные на базе компьютеризи­ рованных многоканальных автоматических комплексов Интроскоп-02.01 и Интроскоп-02.02. Рассмотрены конструктивные особенности акустических блоков и ПЭП, упрощённые алгоритмы работы и структурное описание программного обеспечения комплексов. Описаны вопросы стандартизации УЗ контроля свар­ ных швов и концевых зон труб, порядок сертификации и метрологического обеспечения аппаратуры, технология автоматизированного УЗ контроля труб в потоке. Приведены результаты металлографического анализа, подтверждающие достоверность обнаружения и определения вида дефектов, выявленных в свар­ ных швах и концевых участках труб созданными установками автоматизиро­ ванного УЗ контроля.

Научная новизна 1. Разработана методология комплексного автоматизированного УЗ контро­ ля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагно­ стики процесса их производства на базе информационных технологий.

2. Исследованы и применены вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности автоматизированного ультразвукового кон­ троля сварных швов труб, разработан алгоритм оценки характера отра­ жающей поверхности дефекта.

3. Исследован метод выявления расслоений в зоне концевых участков стальных толстостенных труб при щелевом способе ввода ультразвука с учетом резонансных явлений в слое контактирующей жидкости.

4. Разработаны способы и средства автоматического слежения за швом на основе исследования информативных сигналов из зоны сварного шва.

5. Разработана методология определения вида дефектов сварного шва кор­ реляционным, вероятностным и комбинационным способами.

6. Разработаны принципы построения, созданы и внедрены в промышлен­ ность комплексы автоматизированного ультразвукового контроля свар­ ных соединений и концов труб на базе информационных технологий.

Защищаемые научные положения 1. Разработанная методология комплексного УЗ контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их про­ изводства.

2. Вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности ав­ томатизированного ультразвукового контроля сварных швов труб.

3. Метод выявления расслоений в зоне концевых участков стальных толсто­ стенных труб при щелевом способе ввода ультразвука.

4. Способы и средства автоматического слежения за швом на основе исследо­ вания информативных сигналов сварного шва.

5. Методология и способы оценки характера дефектов сварного шва корреля­ ционным, вероятностным и комбинационным способами.

6. Принципы построения и реализации аппаратно-программных средств. Соз­ данные системы автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений и концов труб и результаты их внедрения в промышленность.

В настоящей работе обобщены результаты исследований в области создания методов и средств комплексного УЗ контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства, выпол­ ненные автором во ВНИИНК ПО «Волна» - НИИНК АО «Интроскоп», Киши­ нёв, Республика Молдова в период с 1980 по 2014 год.

Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на 30ти Международных, Всесоюзных, Всероссийских и республиканских конфе­ ренциях и семинарах. По результатам выполненных исследований опубликова­ ны 52 работы, в том числе 1 монография и 9 статей в изданиях, рецензируе­ мых Высшей аттестационной комиссией Минобрнауки РФ, 28 статей и тезисов докладов в других изданиях. На технические решения, реализованные в разра­ ботанных средствах неразрушающего контроля, получены 5 авторских свиде­ тельств и 9 патентов РМ. Созданный генератор импульсов возбуждения, вы­ полненный на уровне изобретения, вошел в блок технических решений, на ко­ торый в 1985 г. была продана лицензия западногерманской фирме.

Диссертация изложена на 255 страницах, содержит 6 таблиц и 100 рисунков и иллюстраций, список цитируемой литературы из 177 наименований и 7 при­ ложений.

ГЛАВА 1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ

ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ТРУБ. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ

Анализ случаев разрушений магистральных газопроводов и нефтепрово­ дов, выполненный в [20], позволяет выделить основные причины отказов от­ ветственных трубных магистралей. Результаты анализа отражены в табл. 1.1 и более подробно расшифрованы на диаграмме (рис. 1.1).

Таблица 1.1. Основные причины аварий на магистральных трубопроводах Стихийное бедствие Рис. 1.1. Диаграмма распределения причин отказов магистральных трубопроводов Из табл. 1.1 видно, что наиболее весомой причиной разрушений трубопро­ водов являются дефекты в трубах и часть строительных дефектов (в стыковых кольцевых сварных швах). Анализ работ [1-19] показывает, что дефекты в тру­ бах обнаруживаются как по сварному шву, так и в околошовной зоне, в том числе в краевых зонах концов труб, являющимися зонами сварных швов при сварке кольцевых стыковых швов. Виды дефектов, обнаруженных в сварных швах трубопроводов, распределяются следующим образом [21, 22]: непровары - 37%, трещины - 13%, шлаковые включения - 10%, смещения кромок и подре­ зы - 10%. Исследования причин изломов трубопроводов в зависимости от вида обнаруженных дефектов показали, что наибольшую опасность представляют плоскостные дефекты, отказы трубопроводов из-за которых составляют 60­ 80%.

Основные виды дефектов, которые наиболее часто обнаруживаются как в сварных швах труб в процессе производства, так и в кольцевых стыковых сварных швах при строительстве трубопроводов, приведены в табл. 1.2. и на­ глядно представлены на рис. 1.2.

Таблица 1.2. Основные виды дефектов в сварных швах труб Учитывая, что ремонт труб с целью устранения дефектов приводит к воз­ никновению локальных напряжений, вследствие которых происходит разруше­ ние трубопровода под нагрузкой, важнейшим фактором в производстве электросварных труб становится обеспечение бездефектных технологий, одним из неотъемлемых элементов которых является автоматизированный УЗ контроль сварных швов.

Рис.1.2. Диаграмма распределения видов дефектов в сварных швах труб при производстве и кольцевых стыков при строительстве трубопроводов Для правильной формулировки требований к аппаратуре автоматизирован­ ного УЗ контроля сварных швов [116, 117], установления чувствительности контроля и прогнозирования ресурса трубопроводов и других ответственных конструкций необходимо знать методы и технологию сварки [115, 118], типы и характер образования дефектов, представлять условия эксплуатации сварной трубы.

1.1. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СВАРКИ ТРУБ

Все существующие способы сварки делятся на две основные группы:

способы сварки совместной пластической деформацией при нагреве выше температуры рекристаллизации (сварка давлением) и способы сварки со­ вместным плавлением кромок (сварка плавлением) [23].

При производстве труб сваркой давлением кромки трубной заготовки нагреваются за счет тепла, выделяемого при прохождении индуктированного тока высокой частоты. Нагретые до пластического состояния кромки трубы сдавливаются в шовсжимающих валках, плёнка окислов на поверхностях кромок разрушается, и выступы отдельных зёрен получают многочисленные сдвиги с образованием множества осколков, в результате чего происходит процесс их рекристаллизации. Таким образом, температурой начала сварки будет температура начала рекристаллизации. С повышением температуры эффект рекристаллизации (сваривания) значительно ускоряется и достигает максимального значения при температуре выше 1000 °С. Прочность сварного шва возрастает с повышением температуры сварки и ростом удельного дав­ ления в свариваемом шве.

В процессе сваривания участвует только тонкий слой кристаллитов, при­ надлежащий обеим поверхностям, поэтому только температура этого слоя имеет значение для протекания процесса сваривания. Металл, расположенный вблизи шва (зона термического влияния), также нагревается. В зависимости от температуры, до которой был нагрет тот или иной участок зоны термического влияния, структура его будет различна. Участок, примыкающий непосредст­ венно к шву, будет иметь также крупнозернистую структуру, характерную для перегретого металла. При удалении от шва структура металла постепенно ста­ новится более мелкозернистой. В случае, если свариваемые поверхности нагре­ ваются до температуры оплавления металла, происходит интенсивное обезуг­ лероживание поверхностей, и в стыке кромок при этом появляется белая по­ лоска, которая характерна для сварки труб оплавлением. Вследствие деф ор­ мации свариваемых кромок, размягчённый металл вместе с окисными плёнами выдавливается из зоны сварки, образуя грат.

При сварке плавлением кромки трубы соединяются за счет расплавления мощным источником тепла металла свариваемых элементов (основного ме­ талла по кромкам в местах их соприкосновения или основного металла кро­ мок и дополнительного металла электрода) и смачивания твёрдого металла жидким. Расплавленный металл свариваемых кромок самопроизвольно (без приложения внешнего усилия) сливается между собой или с дополнитель­ ным металлом, образуя так называемую сварочную ванну. После удаления источника тепла металл в ванне затвердевает (кристаллизуется), образуя сварной шов, соединяющий кромки трубы в одно целое. Всё тепло или большая его часть отводится прилегающими к сварочной ванне (околошовными) участками металла. Между свариваемым металлом и металлом шва создаётся непрерывная внутрикристаллическая форма связи.

В обоих рассмотренных методах сварки между соединяемыми кромка­ ми возникает металлическая связь путём образования общих зёрен не круп­ нее второго балла [92], граница между металлами практически исчезает.

Технологический процесс производства сварных труб рассмотрим на примере стана по производству сварных прямошовных труб большого диаметра, как наиболее сложного и насыщенного современным технологи­ ческим оборудованием.

1.2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ТРУБ

БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Наиболее высокопроизводительными современными станами для про­ изводства электросварных труб большого диаметра являются трубоэлектросва­ рочные агрегаты дуговой электросварки труб под слоем флюса. Процесс полу­ чения труб электросваркой с прямым швом под слоем флюса состоит из трёх частей: подготовки листа и его формовки, сварки листа в форме трубы и отдел­ ки готовой трубы. Процесс производства прямошовных труб [155, 167, 177] структурно представлен на рис. 1.3.

После контроля качества фасок подготовленный лист поступает на трёх­ клетевой пресс. На кромкозагибочном прессе осуществляется одновременная с двух сторон подгибка кромок (6) по радиусу, соответствующему радиусу гото­ вой трубы.

Такой процесс формовки обеспечивает постоянство геометрических форм трубы в зоне сварного шва и по всему объёму трубы после экспандирования.

5 - разделка продольных 6 - подгибка кромок 7 - И-образная формовка 8 - О-образная формовка 9 - гидросбив окалины и 10 - сварка технологи­ 11 - сварка внутреннего 12 - сварка наружного шва 13 - визуальный контроль 14 - технологический 15 - РТК участков шва, 16 - РУЗК участков шва, 17 - обрезка технологиче­ 18 - калибровка концов 19 - снятие внутреннего 25 - МЛК торцов трубы 2 6 - контроль геометрии 27 - окончательная при- 28 - складирование гото­ Рис.1.3. Структурная схема процесса производства прямошовных труб 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 гидравли­ ческий пресс усилием 1800 тс, с помощью которого листу придается Цобразная форма (7). На последующем О-формирующем прессе (8) с очень вы­ соким прессовым усилием (12 000 тс) и высокой точностью регулировки осу­ ществляется окончательная формовка. Далее методом клеймления наносится номер трубы, после чего производится гидросбив окалины, а затем сушка труб­ ных 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 внут­ ренний 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 уста­ навливается 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 направ­ ляющим 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 техноло­ гический шов полностью расплавляется. Наложение наружного шва трубы про­ изводится специальным сварочным автоматом переменного тока, четыре элек­ трода которого последовательно располагаются так, чтобы образовалась только одна сварочная ванна. За счет специально сконструированных сварочных ма­ шин высокой производительности обеспечивается высокая стабильность раз­ личных 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 прохожде­ ние их под сварочными автоматами. Скорость сварки трубы составляет 1 - м/мин.

Важнейшее место в обеспечении качества труб занимает комплекс методов неразрушающего контроля, которые в необходимых местах цепочки производ­ ства, как обязательные, встроены в технологию и обеспечивают своевременное обнаружение дефектов в ответственных зонах трубы [141]. Это в первую оче­ редь продольный сварной шов и околошовная зона, а также концевые участки трубы, формирующие зону кольцевого сварного шва уже в процессе строитель­ ства трубопроводов. Комплексная диагностика всех элементов трубы в линии производства подразделяется на две стадии контрольных операций: тех­ нологическую и сдаточную. На технологической стадии используются сле­ дующие методы НК: визуальный контроль сварного шва и поверхности трубы (13), автоматизированный УЗ контроль (АУЗК) сварных швов (14), рентгентелевизионный 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 опе­ раций на технологическом этапе дефектов не обнаружено, производится пред­ варительная 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 являет­ ся предпосылкой для минимального смещения кромок при сварке кольцевых стыков на трассе строящихся трубопроводных магистралей. После калибровки производится отбор проб для испытаний, изготовление образцов, их механиче­ ские испытания, а также определение химического состава образца.

На откалиброванных концах трубы фрезерным станком производится сня­ тие валика усиления внутреннего шва (20) на расстоянии 200 мм от каждого торца и предварительная торцовка труб для обеспечения герметичности на ис­ пытательном прессе. На гидропрессе производится калибровка трубы по всему объёму и гидроиспытание (20). Калибровка приводит к более равномерному распределению внутренних напряжений по периметру, возникших при формов­ ке и сварке. При гидроиспытании давление воды поднимается до 256 атм, что значительно превышает рабочее давление и доводит металл стенки трубы поч­ ти до предела текучести. Величина давления в трубе и время выдержки регист­ рируются. Труба, не выдержавшая гидроиспытания, бракуется.

После очистки и сушки труба подвергается сдаточным испытаниям, при которых используется комплекс следующих методов НК: АУЗК сварных швов (21), АУЗК концевых участков труб (22), РТК концов сварных швов (23), визу­ альный осмотр дефектных участков труб, РУЗК участков сварного шва и РУЗК, отмеченных АУЗК, концевых участков труб. После окончания контрольных и ремонтных операций на сварном шве и концевых участках, труба подается на участок механической обработки торцов (24), где производится снятие фаски, а затем магнитно-люминесцентный контроль (МЛК) фаски труб (25). Если торец по результатам МЛК в норме - выполняется этап окончательной приемки труб.

На этом этапе проверяется геометрия и длина трубы (26), размеры фаски и со­ ответствие трубы требованиям стандартов. Длина не должна быть меньше но­ минальной за счет возможного отрезания забракованных концевых участков трубы на разных этапах сдаточной стадии производства. В случае успешного прохождения данного этапа производится окончательная приёмка, и на каждую трубу формируется паспорт. Если все в норме, производится окончательная приёмка, маркировка (27) и складирование труб (28). Если же обнаруживаются несоответствия требованиям стандартов - труба бракуется.

На отдельном участке покрытий трубы покрываются высокотехнологич­ ными антикоррозионными составами. Наружная часть трубы защищается (от агрессивных воздействий внешней среды) полиэтиленовым или бетонным по­ крытием, внутренняя часть - бетонным или эпоксидным. Покрытия выдержи­ вают широкий диапазон температур окружающей среды (от - 40 до + 80 °С), срок их эксплуатации составляет не менее 30 лет. Качественное внутреннее по­ крытие стальных труб не только обеспечивает защиту от коррозионных процес­ сов, но также снижает сопротивление газовому потоку в магистральных тру­ бопроводах.

Рассмотрение технологического процесса производства показывает, что важнейшим фактором в обеспечения качества электросварных труб становится применение бездефектных технологий и различных методов неразрушающего контроля, важнейшим из которых является автоматизированный УЗ контроль сварных швов [141, 155]. Для правильной формулировки требований к аппара­ туре автоматизированного УЗ контроля сварных швов [116, 117], установления чувствительности контроля и прогнозирования ресурса работоспособности трубопроводов необходимо учитывать методы и технологию сварки [115, 118], типы, характер и условия образования дефектов, представлять условия экс­ плуатации электросварной трубы.

ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ СВАРКЕ ДАВЛЕНИЕМ

На качество сварки шва оказывает влияние выбор и соблюдение её ре­ жимов, состояние конструкционных и сварочных материалов, технологиче­ ского оборудования, квалификация сварщика, организация технологического потока (включая этапы технологического контроля) и т.д.

а) дефекты геометрии (смещение кромок, утонения стенки), б) расслоения, в) несплошности (непровары и трещины), г) дефекты структуры шва Характерной особенностью дефектов сварных швов труб при сварке давле­ нием является их плоскостной характер. Это предопределило применение для обнаружения дефектов сварки давлением УЗ методов контроля. Дефекты свар­ ных швов труб, возникающие при сварке давлением (рис. 1.4) можно разделить на три основные группы [7, 12, 23, 31]:

- дефекты геометрической формы, связанные со смещением кромок сваривае­ мых поверхностей, некачественным удалением наружного и внутреннего - дефекты сплошности, вызванные отсутствием соединения (непроваром) по части или по всей свариваемой поверхности, наличием трещин в шве и околошовной зоне и расслоений металла околошовной зоны;

- дефекты структуры шва и околошовной зоны, связанные с понижением ме­ ханической прочности соединения.

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 поверх­ ностей. При этом плоскость сварного шва не совпадает с нормалью к поверхно­ сти трубы (возникает перекос шва). При удалении наружного грата превыше­ ние кромок устраняется, но одновременно происходит утонение стенки трубы.

Получение качественного сварного шва труб возможно только в случае приме­ нения исходной ленты с определенными технологическими свойствами и хи­ мическим составом.

Возникающие при сварке труб из сильно загрязненных сульфидами ки­ пящих 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 от­ слаивается, нарушается форма трубы (рис. 1.4, б). Некачественное удаление внутреннего грата приводит к нарушению формы внутренней поверхности тру­ бы. 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 непровары, возникающие при грубом нарушении режима сварки. Такие дефекты харак­ теризуются полным или частичным отсутствием соединения свариваемых по­ верхностей (рис. 1.4, в). Понижение температуры нагрева трубной заготовки приводит к появлению в сварном шве окисных пленок, что связано с более вы­ сокой, по сравнению с основным металлом температурой плавления окислов железа. К дефектам сплошности следует отнести и отдельные «свищи», возни­ кающие 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 окисле­ ния 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. Изза повышенного содержания в спокойной стали (например, 10 ст) марганца и кремния на кромках трубной заготовки образуются тугоплавкие окисные плён­ ки, препятствующие активному протеканию диффузионных процессов и спо­ собствующие появлению в шве «светлой полоски» - окислов. В связи с этим сварные швы труб, сваренных из спокойной стали, имеют пониженные механи­ ческие свойства. При продолжительном нагреве свариваемых поверхностей окисные включения становятся центрами кристаллизации феррита. Образую­ щаяся при этом ферритная зона, насыщенная значительным количеством рас­ творенного кислорода, обладает повышенной твердостью и малой пластично­ стью. В дефектоскопии дефекты сварки, связанные с незначительной взаимной диффузией свариваемых поверхностей, называют «слипаниями» или «прилипа­ ниями». Выявление таких дефектов методами НК весьма затруднительно. На­ личие 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 при­ водит к чередованию зон с различной структурой. В связи с чередованием уча­ стков сварного шва, подвергающихся воздействию температур, способствую­ щих получению зон без оплавления и зон с оплавлением металла, имеют место различные механизмы соединения кромок - кристаллизации при сварке оплав­ лением, когда появляется жидкая фаза, и диффузии при отсутствии жидкой фа­ зы. 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 возни­ кают микропустоты. Это приводит к образованию горячих трещин или возник­ новению высоких внутренних напряжений, вследствие чего наблюдаются слу­ чаи самопроизвольного образования трещин после длительного хранения труб.

ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Технология и металлургические процессы электродуговой сварки пря­ мошовных и спиральношовных труб плавлением [7, 9, 10, 23] существенно отличаются от применяемых при сварке труб давлением. При сварке под флю­ сом решающую роль играет химический состав флюса, проволочного электро­ да и основного металла в сочетании с параметрами сварки [23], поэтому де­ фекты швов, сваренных под слоем флюса, и их геометрия также качественно отличаются от дефектов сварных швов, полученных сваркой давлением.

Наиболее характерными для электродуговой сварки под слоем флюса яв­ ляются следующие дефекты: непровары, поры, подрезы, шлаковые включения, трещины, отклонения геометрии шва и трубы [7, 9, 10, 31, 93].

Непровары - это дефекты в виде местного несплавления в сварном соеди­ нении. Непровары образуются при загрязнении кромок, неправильной их под­ готовке, грубых нарушениях режима сварки. Хотя даже при относительно больших непроварах разрушение нередко происходит по околошовной зоне, так как непровар компенсируется усилением шва, дефект этот относится к не­ допустимым.

Поры представляют собой полости округлой или продолговатой формы (рис. 1.5, а), заполненные газом. Поры образуются вследствие грубого наруше­ ния технологии подготовки свариваемой трубной заготовки и сварочных мате­ риалов (загрязненность кромок, использование влажного флюса или отсырев­ ших электродов, отклонения режима нагрева и скорости сварки).

Подрезы (рис. 1.5, б) возникают в результате нарушений режима сварки, связанных с несоответствием скорости наплавки металла шва и объемом стыка.

Подрезы находятся на границе между сварным швом и металлом стенки трубы и имеют небольшую глубину (в пределах 0,2 - 1,0 мм).

а) - пора, б) - подрез, в) - шлаковое включение, г) - трещина Шлаковые включения (рис. 1.5, в) возникают в результате взаимодействия между шлаком и металлом электрода, а также ванной расплавленного металла.

При нормально проходящем процессе шлак оседает на шов и может быть лег­ ко удален с охлаждённого шва. Только при отклонении от заданных режимов сварки шлаковые включения могут оставаться в шве. Шлаковые включения по сравнению с порами в значительно меньшей мере снижают усталостную проч­ ность. Форма шлаковых включений может быть различной: круглой, шарооб­ разной, плоской или продолговатой.

Трещины, представляющие собой разрывы металла, отличаются характе­ ром, расположением и причинами возникновения (рис. 1.5, г). В зависимости от момента возникновения в процессе затвердевания шва трещины подразделяются на «горячие» и «холодные», а в соответствии с размерами различаются макро- и микротрещины. Причиной появления горячих трещин являются разрывы металла в процессе кристаллизации, когда легкоплавкие фазы на границах первичного зерна разрываются при деформации в результате усадки шва. Горячие трещи­ ны, как правило, имеют произвольную ориентацию и малое раскрытие. Воз­ никновение холодных трещин зависит от величины внутренних напряжений и содержания водорода. Они имеют значительно большие размеры и неровную поверхность.

Отклонения геометрии шва и размеров труб большого диаметра также яв­ ляются недопустимыми. В [7] показано, что к нарушениям геометрии сварно­ го шва относятся изменения ширины валика усиления и его асимметрия - вза­ имное смещение внутреннего и наружного швов, которые приводят к ослож­ нениям при УЗ контроле и требуют принятия мер по корректировке парамет­ ров аппаратуры НК. Как правило, смещения шва приводят к возникновению непроваров. Требования к допускам по диаметру предъявляются к концам трубы, чтобы избежать большого смещения кромок при сварке кольцевых швов.

УЗ КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ ШВОВ ТРУБ

Ультразвуковые методы неразрушающего контроля сварных швов труб ос­ нованы на оценке параметров УЗ колебаний, возбуждаемых в контролируемой трубе. При этом используются различные типы акустических волн, широкий диапазон рабочих частот УЗ колебаний. Разнообразие пьезоэлектрических и других способов возбуждения и приема УЗ волн, большой выбор пьезомате­ риалов для ПЭП делает УЗ методы контроля универсальными.

При УЗ контроле сварных швов труб используются как традиционные: те­ невой метод, основанный на уменьшении амплитуд волн, обусловленном нали­ чием дефекта; эхометод - на анализе параметров импульсов, отражённых от дефектов; эхо-теневой, сочетающий в себе достоинства эхо- и теневого методов контроля, так и более новые - тандем-метод, дельта-метод, дифракционно­ временной и др.

Крупный вклад в становление и развитие ультразвуковой (УЗ) де­ фектоскопии сварных соединений, в целом, и электросварных труб, в частно­ сти, внесли и вносят в своих трудах И.Н. Ермолов, А.К. Гурвич, Н.П. Алёшин, В.Т. Бобров, В.Г. Щербинский, А.Х. Вопилкин, А.А. Самокрутов, В.А. Троиц­ кий, Н.В. Химченко, В.А. Бобров, В.Д. Коряченко, А.В. Малинка, А.П. Стипура и др. Ими выполнены фундаментальные работы в области общей теории ульт­ развуковой дефектоскопии и УЗ контроля сварных швов, разработаны новые методы и автоматизированные установки контроля, определения местоположе­ ния и параметров дефектов, измерения их размеров. Исследованы методы и разработаны варианты специализированной аппаратуры УЗ контроля, напри­ мер, сварных швов с высоким уровнем структурных шумов. Значительна роль специалистов научных организаций и предприятий отраслей, производящих и потребляющих электросварные трубы, в разработке требований к качеству и концепции неразрушающего контроля сварных труб.

Условно, при контроле зону сварного шва можно разбить на три участка (рис.1.6): участок сварного шва с наплавленным металлом; зону термического влияния (ЗТВ) и примыкающий участок основного металла. Цель УЗ дефекто­ скопии сварного шва состоит в обнаружении дефектов во всем объёме сварного шва, в зоне термического влияния и на примыкающем участке основного ме­ талла по возможности с равной чувствительностью. Полученные при УЗ кон­ троле данные позволяют получить сведения не только о размерах дефектов и месте их расположения в зоне сварного шва, но и о виде дефекта.

Достоверность контроля при УЗ дефектоскопии в значительной мере зави­ сит от надежности акустического контакта между ПЭП и поверхностью контро­ лируемой трубы, что требует усложнения конструкции акустического блока и корректировки чувствительности в процессе контроля. Валики усиления свар­ ных швов, хотя и имеют геометрическую форму с некоторыми нормированны­ ми средними значениями размеров [116, 117, 118, 126], однако существенно ус­ ложняют задачу выявления дефектов металла шва, так как являются причиной появления эхосигналов, отражаемых, в первую очередь, их кромками, и маски­ рующих эхосигналы от дефектов шва [119 - 121].

Для обнаружения продольных дефектов в сварных швах труб большого диа­ метра применяются углы ввода, равные ~ 70° [9]. При использовании таких углов можно, с одной стороны, обнаруживать вертикально расположенные трещины в центральной части шва, а с другой - отстраиваться от эхосигналов от валика усиления. Для выявления произвольно ориентированных дефектов используют­ ся К- и Х-образные схемы контроля. При применении К-образной схемы исполь­ зуют по два ПЭП, которые вводят УЗК с обеих сторон по нормали и под углом к сварному шву и работают по эхо- и теневому методу. Х-образная схема пред­ ставляет собой усовершенствованную К-образную схему. Характерным отличи­ ем установок автоматизированного контроля является наличие в их составе систем ориентации, обеспечивающих позиционирование ПЭП на поверхности трубы, механизмов слежения за швом. Используются системы с линейным пе­ ремещением каретки с ПЭП относительно оси трубы и с перемещением карет­ ки по дуге.

Автоматизацию операций слежения, защиты от повреждений обеспечи­ Рис. 1.6. Структура стенки трубы в зоне 1 - основной металл; 2 -сварной шов;

3 - зона термического влияния; Ибема; Новомосковский труб­ 4 - зона, подлежащая контролю ДУК-70М, Харцызский трубный завод - ДУК-70М) показал, что в целом ука­ занная аппаратура решает задачу 100-процентного контроля качества сварного шва удовлетворительно. Характерным отличием установок автоматизированно­ го контроля является наличие в их составе акустических блоков, обеспечиваю­ щих ориентацию ПЭП относительно поверхности трубы, механизмов слежения за швом. Используются системы с линейным перемещением каретки с ПЭП от­ носительно оси трубы и с перемещением каретки по дуге. Автоматизацию опе­ раций слежения, защиты от повреждений обеспечивают датчики положения, концевые выключатели и пневматические исполнительные устройства.

Разработанная ВНИИНКом типовая установка ДУК-70М по результатам Государственных испытаний была рекомендована к серийному производству и освоена ПО «Волна», которое выпустило 140 экз. установки, благодаря чему все российские и украинские заводы по производству электросварных труб длительное время используют это оборудование УЗ контроля. На последующих этапах были разработаны и поставлены на серийное производство установка для контроля сварных швов труб УД-82УА и установка для контроля концевых участков труб УД-77БМ, которые были внедрены на Выксунском металлурги­ ческом заводе и ряде других предприятий отрасли.

В настоящее время потребителям предлагают комплектную поставку ав­ томатизированных установок для контроля электросварных труб. Это установ­ ки 8К Н Р-Ш, 8КБР-8Р фирмы Кгаи^кгашег [144], 8КЦЪ фирмы Каг1 Беи^сЬ [145] (ФРГ); установки типа Волга-16 фирмы Нординкрафт (Череповец); уста­ новки ЦЪТКАР1РЕ фирмы Ультракрафт (Череповец) [131], установки на базе АУИУ «Сканер» фирмы Алтес и другие. Анализ состояния показывает, что со­ временные системы контроля используют компьютерные технологии, новые способы и методики контроля, ЭМА-системы возбуждения и приема ультра­ звуковых колебаний [31], улучшающие технические характеристики аппара­ туры контроля. По способу сканирования сварного шва большинство установок ведут контроль, при котором контролируемая труба на тележке с подъёмно­ поворотными роликами движется относительно акустической системы [137, 144, 145], в отдельных установках, наоборот, труба неподвижна, а акустическая система перемещается относительно сварного шва [131]. Некоторые установки поочерёдно контролируют концы труб и сварной шов [131, 144]. При наруше­ нии одной из функций работы системы контроль прекращается автоматически и выдается информация о причине нарушения.

Опыт показывает, что при автоматизированном контроле сварных швов возникает необходимость оценки большого числа факторов, влияющих на эф­ фективность контроля. Большое внимание уделяется вопросам надёжности ус­ тановок, повышению разрешающей способности и достоверности контроля, дальнейшей разработке методов подавления помех, увеличению скорости кон­ троля и автоматизации вспомогательных процессов.

1.6. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДОСТОВЕРНОСТЬ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЗ КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ ШВОВ ТРУБ

К факторам, влияющим на достоверность обнаружения дефектов сварных соединений труб в процессе производства, относятся:

- изменение взаимного положения сварного шва и ПЭП, - состояние акустического контакта, - индустриальные и акустические помехи, - форма и пространственное положение дефектов.

Рассмотрим влияние указанных факторов на достоверность автоматизи­ рованного УЗ контроля сварного шва труб и известные способы отстройки от их влияния.

1.6.1. Смещение сварного шва относительно акустического блока Другая важная задача состоит в том, что расстояние между швом движу­ щейся трубы и неподвижно установленными ПЭП оказывается нестабильным из-за того, что в процессе перемещения трубы в зоне контроля происходит из­ менение положения сварного шва, достигающее +10 мм. С целью компенсации случайных перемещений шва часто используют специальные автоматические устройства слежения акустического блока за швом с точностью слежения не хуже + 2 мм при условии стабильной геометрической формы наружных по­ верхностей шва (валиков усиления) [6, 27]. Эти устройства содержат специаль­ ные датчики слежения за швом, использующие различные физические принци­ пы и преобразователи: механические щупы, световой луч, вихретоковые, ульт­ развуковые струйные, лазерные системы и др. Сигналы датчиков после обра­ ботки используются для управления исполнительными механизмами, устройст­ ва представляют собой замкнутую автоматическую систему слежения. Устрой­ ства слежения предназначены для автоматической стабилизации номинального расстояния между движущимся швом и неподвижными ПЭП по периметру трубы (номинальное расстояние обозначим Ь0). Значение Ь0 в работах [8, 13] предложено измерять шагом, в качестве которого используется участок пери­ метра трубы между двумя соседними отражениями УЗ пучка от одной поверх­ ности стенки трубы. Величину Ь0 рекомендуют выбирать в пределах 0,5 - 2 ша­ га, то есть использовать не более трех отражений.

Однако условие стабилизации расстояния между движущимся швом и неподвижным ПЭП является недостаточным т.к. необходимо стабилизировать и угол ввода а сдвиговых волн в металл стенки трубы [9], который подвержен влиянию многих факторов. В [99] рассматривается возможность компенсиро­ вать изменения а в зависимости от изменений температуры окружающей сре­ ды. В [65] предложена термостабильная система, в которой контактирующая жидкость и оргстекло взаимно компенсируют изменения скорости УЗ от изме­ нений температуры окружающей среды. При этом КСЖ имеет вид регулируе­ мого клина, что позволяет экспериментально выбирать оптимальную величину угла а, используя образцы с искусственными или реальными дефектами свар­ ного шва. Кроме этого, необходимо учитывать, что в цехе металлургического предприятия температура окружающей среды может принимать значения от +3 °С до +45 °С, а контроль осуществляется по поверхности еще неостывшей трубы (температура металла трубы в зоне контроля колеблется от +50 °С до + 80 °С).

Сущность требования стабилизации параметров Ь0 и а сводится к необ­ ходимости стабилизации пространственного положения металла сварного шва в зоне контроля неподвижного ПЭП при движении трубы. Понятно, что при уве­ личении зоны контроля (расширении строб-импульса) вероятность ухода ме­ талла шва из зоны контроля вследствие поперечных смещений шва уменьша­ ется. Формирование строб-импульса в дефектоскопах обычно осуществляют с привязкой к моменту излучения преобразователем импульса УЗК.

1.6.2. Состояние акустического контакта На эффективность и достоверность автоматизированного УЗ контроля сварных швов труб существенно влияет стабильность акустического контакта.

Известные способы контроля состояния акустического контакта сводятся к то­ му, что используется постоянно принимаемый сигнал, прошедший через тот же участок контактного слоя жидкости (КСЖ), через который проходит зондирующий импульс. Принятый сигнал после обработки поступает на вход автома­ тической регулировки усиления соответствующего канала дефектоскопа.

В [38] дана оценка стабильности акустического контакта при контроле изделий наклонным ПЭП и сделана попытка учесть влияние на надёжность контроля изменения толщины КСЖ и площади пятна контактирующей жидко­ сти, а также наличие шероховатости поверхности контролируемого изделия.

Сделан вывод о том, что флуктуация толщины КСЖ мало влияет на надёжность акустического контакта, а основное влияние оказывает изменение площади пятна контактирующей жидкости.

Более строго данный вопрос рассмотрен в работе [40], где показано, что изменение толщины плоского КСЖ является причиной возникновения осцил­ ляций амплитуды эхосигнала от отражателя, например от дефекта сварного шва, и с целью сглаживания осцилляций предложено использовать клиновид­ ный КСЖ с углом при вершине клина более 2°.

В некоторых установках [13, 15, 17, 65] для слежения за состоянием аку­ стического контакта используют два соосно установленных по разные стороны шва ПЭП, работающих по теневому методу. Принятый сигнал используют для управления устройством АРУ. Известен также способ контроля состояния кон­ такта [45, 65], в котором используются продольные волны, вводимые по норма­ ли к стенке трубы на том же участке КСЖ, через который вводится пучок сдви­ говых волн. Призма ПЭП содержит специальную пьезопластину, работающую в совмещенном режиме. Акустическая ось этой пьезопластины перпендикуляр­ на к поверхности трубы (рис. 1.7, а). Интегрируя донные эхосигналы можно получить управляющее напряжение для АРУ, однако при случайных изменени­ ях толщины КСЖ донные эхосигналы и эхосигналы от дефектов шва изменя­ ются по разному закону, то есть имеет место неоднозначная зависимость между управляющим сигналом АРУ и состоянием тракта совмещённого наклонного ПЭП.

Рис. 1.7. Варианты контроля состояния акустического контакта:

а - применением в призме ПЭП нормальной совмёщенной пьезопластины, возбуждаю­ щей в стенке трубы серию донных эхосигналов; б - применением в призме ПЭП специ­ ального отражателя для формирования тест-импульсов; в - использованием боковых ле­ пестков основной наклонной диаграммы направленности сдвиговых волн в стенке трубы (используется серия донных эхосигналов); // - продольные волны в изделии;

Таким образом, все приведенные выше способы имеют общий недоста­ ток: нет прямой зависимости между сигналами, используемыми для управления АРУ, и эхосигналами от дефектов сварного шва труб, в результате чего возмо­ жен пропуск дефектов или перебраковка труб.

При разработке автоматизированных установок для контроля сварного шва труб в потоке ТЭСА особые сложности возникают в связи с наличием по­ мех различной природы и характера. Трубоэлектросварочный цех содержит много электрооборудования большой мощности, которое является источником индустриальных помех, воздействующих на аппаратуру УЗ контроля с повы­ шенной чувствительностью. Как известно [67], структура металла сварного шва и околошовной зоны существенно отличается от структуры основного металла стенки трубы, так как процесс сварки приводит к росту среднего диаметра зё­ рен даже в низколегированных сталях, поэтому при контроле сварных швов возникает проблема отстройки от помех структуры сварного шва.

В работе [61] отмечено, что при отношении амплитуды эхосигнала от де­ фекта сварного шва к амплитуде импульсной помехи, регистрируемой дефекто­ скопом менее 3-х, контроль оказывается нецелесообразным из-за низкой досто­ верности. В одном из вариантов автоматизированной установки 8ИЦР фирмы Кгаи^кгашег (ФРГ) применен специальный приемник индустриальных помех, сигнал с выхода которого используется для выключения дефектоскопа в случае, когда уровень помех превышает установленный порог.

В работах И.Н. Ермолова, А.С. Голубева [3, 62] и др. показано, что для уменьшения влияния помех структурной реверберации металла шва на резуль­ таты УЗ контроля, необходимо выбирать частоту УЗК излучаемого импульса так, чтобы длина волны X была существенно больше среднего диаметра зёрен структуры. Для низколегированных сталей оптимальная частота УЗК находится в пределах 2 - 4 МГ ц. Отмечается, что при выборе рабочей частоты ПЭП, рав­ ной 2,5 МГц, шумы структурной реверберации не оказывают влияния на усло­ вия выявления дефектов сварного шва.

В работе [63] рассмотрена задача уменьшения влияния шумов структур­ ной реверберации на результаты контроля сварных швов. Основная рекоменда­ ция этой работы состоит в том, что при выборе акустической схемы контроля сварного шва необходимо стремиться к тому, чтобы приём эхосигналов был осуществлен из малого объёма озвучиваемого металла, то есть необходимо из­ лучатель и приемник располагать в пространстве раздельно относительно шва.

1.6.4. Форма и пространственное положение дефектов Основное назначение автоматизированных установок УЗ контроля состо­ ит в выявлении дефектов сварного шва, определении их вида и классификации.

В работе [91] предложено разделение всего множества дефектов на пло­ скостные, округлые и округло-плоскостные. Отмечается, что для распределения выявленных дефектов по этим трем группам необходимо прозвучивать сварной шов четырьмя преобразователями по К- или Х-образной схеме и в зависимости от того, какая пара ПЭП обнаруживает дефект, принимается решение о типе дефекта. В сущности, для определения типа дефекта используется различие их отражательной способности в соответствии со сходством форм в пространстве.

Согласно [7] к плоскостным дефектам шва следует отнести непровары, несплавления (слипания), трещины продольные, поперечные и косоугольные, а к объемным - поры, шлаковые и неметаллические включения, а также ракови­ ны. Наиболее опасными являются непровары и трещины с вертикальной ориен­ тацией. Особое внимание уделено необходимости строгой ориентации оси УЗ пучка в плоскости, перпендикулярной оси шва. Отклонение от перпендикуляр­ ности на + 2° приводит к уменьшению амплитуды эхосигнала до 8 дБ, в связи, с чем предложены шаблоны для поверки перпендикулярности и соосности ПЭП.

В работах [2, 5] описаны применяемые при контроле труб с толщиной стенки более 6 мм К- и Х-образные схемы прозвучивания. При К-образной схе­ ме пара призматических ПЭП устанавливается перпендикулярно оси прямого шва, а другая пара установлена наклонно по обе стороны шва навстречу друг другу и предназначена для выявления поперечных трещин. Контроль спираль­ ношовных труб осуществляют по Х-образной схеме, в которой обе пары ПЭП установлены наклонно к оси сварного шва, такие же схемы прозвучивания опи­ саны в [9,144, 145]. Отмечается, что ПЭП должны иметь три степени свободы:

регулировка толщины КСЖ, возможность наклона призмы к поверхности тру­ бы, то есть регулировка угла клиновидного КСЖ, поворот призмы вокруг своей оси, а также регулировка расстояния ПЭП до шва.

При контроле труб с гратом на внутренней поверхности имеют место эхосигналы от грата, амплитуда которых соизмерима с амплитудами эхосигналов от дефектов металла сварного шва, поэтому их невозможно разделить по временному признаку. Выбор длительности строб-импульса ограничен лишь необходимостью уменьшения влияния индустриальных помех. Контроль часто осуществляют двумя ПЭП, установленными соосно по обе стороны шва в плос­ кости, перпендикулярной его оси. При контроле по К-образной схеме возникает необходимость слежения за швом, так как пара ПЭП, установленных под неко­ торым азимутальным углом к оси шва и навстречу друг другу, формируют зону контроля металла шва ограниченного объема (зона пересечения пучков УЗК).

Зачистка заподлицо грата на наружной поверхности трубы дает возможность выявлять плоскостные дефекты сварного шва дельта-методом [7], сущность которого состоит в том, что при падении на поверхность плоскостного дефекта сдвиговой волны при отражении импульса кроме сдвиговых волн возникают продольные волны. В работе [79] предложен зеркальный дельта-метод выявле­ ния трещин в сварном шве. Авторы предлагают использовать сдвиговые волны в диапазоне углов ввода в металл стенки трубы 57°- 62°. В работе [80] для вы­ явления плоскостных дефектов сварного шва также предлагается использовать явление трансформации сдвиговых волн в продольные.

Определение вида выявляемых дефектов и причин нарушения технологи­ ческого процесса является важным звеном системы АСУ ТП ТЭСА. Однако ис­ пользуемые автоматизированные установки УЗ контроля сварных швов труб не обеспечивают оперативной идентификации дефектов и отклонений в режиме сварки труб. Применение УВК в составе подобных установок может сущест­ венно расширить возможности распознавания вида выявленных дефектов, так как обработка принятых эхосигналов осуществляется в цифровом виде в реаль­ ном масштабе времени.

1.7. Выводы Выполненный обзор существующих методов и аппаратуры УЗ контроля электросварных труб показывает, что наряду с определенными достоинствами они обладают существенными недостатками:

- низка достоверность контроля из-за невозможности обеспечить эф­ фективное слежение за швом труб с удаленным гратом, валиком усиления и случайными перемещениями сварного шва при движении трубы;

- слежение за акустическим контактом осуществляется по сигналу прямого прохождения между соосно расположенными ПЭП, уровень кото­ рого зависит от многих факторов, поэтому его использование для АРУ приводит к ошибкам при оценке качества сварного шва;

- низкая помехозащищенность установок от акустических и электри­ ческих помех из-за ограниченного ресурса систем обработки информации;

- отсутствуют способы, алгоритмы и программное обеспечение обо­ рудования для автоматического распознавания вида выявляемых дефектов;

- не решены задачи контроля концевых участков магистральных труб и измерения толщины стенки в этой зоне при использовании раздель­ но/совмещенного ПЭП, работающего на длинный кабель;

- не разработана методология и принципы построения систем ультра­ звукового контроля сварных соединений и концов труб с применением компьютерных технологий.

Анализ отечественной и зарубежной аппаратуры и способов УЗ контроля электросварных труб показывает, что для решения проблемы повышения эф­ фективности производства труб, выполненных различными методами сварки, необходимо:

1. Разработать, теоретически обосновать, методически и метрологически обеспечить методологию, аппаратно реализовать и внедрить комплексы и установки уз контроля электросварных труб, как составной части интел­ лектуальной диагностики процесса их производства.

2. Исследовать и реализовать способы выявления и слежения за сварным швом труб, выполненных контактной сваркой, по увеличению затухания ультразвуковых колебаний и по шумовым сигналам в структуре металла сварного шва.

3. Исследовать, разработать и внедрить способы формирования следящей зо­ ны контроля и автоматического слежения за швом, выполненным сваркой плавлением, на основе использования информативных эхосигналов из зоны сварного шва, учитывающих изменения угла ввода ультразвуковых ко­ лебаний в стенку трубы.

4. Исследовать и разработать способы помехозащиты и автоматической ре­ гулировки усиления при изменении качества акустического контакта, температуры окружающей среды.

5. Исследовать и разработать алгоритм оценки характера отражающей по­ верхности дефекта корреляционным способом с целью идентификации вида дефекта при автоматизированном контроле шва.

6. Исследовать вероятностный способ определения вида дефекта при авто­ матизированном УЗ контроле сварного шва труб.

7. Разработать методологию определения вида дефектов сварного шва ком­ бинационным способом.

8. Исследовать и разработать многоэлементный пьезопреобразователь для реализации электронного УЗ сканирования при контроле сварного шва труб большого диаметра.

9. Исследовать методы и разработать аппаратуру выявления расслоений и измерения толщины стенки трубы большого диаметра при щелевом спо­ собе ввода ультразвука раздельно-совмещенным пьезопреобразователем, работающим на длинный радиочастотный кабель.

10. Разработать принципы построения систем УЗ контроля сварных соедине­ ний и концов труб с применением компьютерных технологий.

11. Разработать алгоритмы обработки, регистрации информации и паспорти­ зации труб на сдаточной стадии контроля.

12. Разработать и внедрить в промышленность комплексы многоканальных автоматизированных систем ультразвукового контроля электросварных труб.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА

ПРИ УЗ КОНТРОЛЕ СВАРНЫХ ШВОВ ТРУБ

Высокие требования к достоверности автоматизированного ультразвуко­ вого контроля сварных швов труб обуславливают проведение исследований акустического тракта канала дефектоскопии сварного шва. Контроль шва осу­ ществляется преимущественно наклонными ПЭП, с помощью которых в металл стенки трубы вводится пучок сдвиговых волн под заданным углом а. При этом важно исследовать направленность и характер распространения сдвиговых волн через элементы акустического тракта и зависимость амплитуды эхосигнала от расстояния от точки ввода ультразвука до зоны сварного шва при изменении угла а, обусловленного уходом температуры относительно исходной, разбро­ сом толщины стенки, свойствами материала трубы и другими факторами.

2.1. АНАЛИЗ ПРОХОЖДЕНИЯ ОГРАНИЧЕННОГО ПУЧКА

ИМПУЛЬСА СДВИГОВЫХ ВОЛН В МЕТАЛЛ СТЕНКИ ТРУБЫ

Основы теории прохождения ограниченного пучка импульса сдвиговых волн в металл рассмотрены И.Н. Ермоловым в работе [25]. Рассмотрим неко­ торые особенности работы ПЭП применительно к условиям автоматизирован­ ного контроля сварного шва труб. Из экспериментальных исследований извест­ но, что угол преломления акустической оси наклонного ПЭП в стали а0, рас­ считанный по закону Снеллиуса, не совпадает с направлением центрального луча пучка сдвиговых волн. А именно центральный луч соответствует макси­ муму амплитуды излучения, то есть он является углом ввода а сдвиговых волн в металл стенки трубы (рис. 2.1), при этом а > а 0. Представляет интерес раз­ ность Да = а - а 0. В [25] для определения а предложено использовать способ построения мнимого излучателя. Правила введения мнимого излучателя [26] обоснованы тем, что в плоскости падения продольных волн из призмы на по­ верхность изделия малые углы отклонения от акустической оси в призме Др и в изделии Да, связаны между собой соотношением где Р - угол падения (угол призмы); Сп - скорость УЗ колебаний в призме; Си скорость УЗ колебаний в изделии.

В [25] отмечается, что угол а можно легко определить экспериментально для конкретного ПЭП. При этом рассматривается случай тонкого КСЖ, то есть когда его толщина значительно меньше длины волны в жидкости ^ ж.

Пучок сдвиговых волн многократно отражается от свободных поверхно­ стей стенки трубы. Нас интересуют условия, при которых отражение происхо­ дит без трансформации сдвиговых волн в продольные. Из [3] известно, что это имеет место, когда а больше третьего критического угла, то есть больше 57°.

Часто для контроля сварного шва труб в потоке ТЭСА соблюдают равенство а « 70° [9, 13, 27]. При этом целесообразно добиваться слабой зависимости ам­ плитуды эхосигнала от любого отражателя металла шва от изменений а.

Рис. 2.1 Схема ввода пучка сдвиговых волн в металл изделия:

2а - диаметр пьезопластины; Р - угол падения волн на поверхность изделия из призмы;

а0 - угол преломления акустической оси пьезопластины; а - угол направления централь­ ного луча пучка сдвиговых волн; // - продольные волны в изделии при Р, равном первому критическому углу; // - отраженные продольные волны в призме; Ъ- отраженные сдвиго­ вые волны в призме; - трансформированные сдвиговые волны в изделии Из диаграммы, приведенной в [25], видно, что на участке а « 70° имеет место сильная зависимость коэффициента прозрачности Бк для сдвиговых волн от угла падения Р, то есть на этом участке слабые изменения Р приводят к су­ щественным изменениям а, а, следовательно, и к существенным изменениям амплитуды эхосигнала от дефекта шва. Для получения медленно меняющейся функции В и (Р) более целесообразно выбирать а в пределах 60° - 65°. Этому условию лучше удовлетворяют ПЭП, угол призмы которых находится в преде­ лах 43°- 48° (для оргстекла). На этом участке В и« 0,22.

Известно, что угол Р для серийных ПЭП одного типа, выбранных из од­ ной партии, имеет некоторый разброс значений. Это приводит к более сущест­ венному разбросу значений а, особенно на участке, близком к а « 70°. Кроме того, при а « 70°, имеет место возбуждение поверхностных волн большей ин­ тенсивности и, следовательно, увеличивается вероятность попадания в стробимпульс эхосигнала от передней кромки валика усиления шва.

В работе [28] рассмотрен вопрос, как влияет кривизна наружной и внут­ ренней поверхностей трубы на процесс распространения пучка сдвиговых волн.

Показано, что для труб с отношением толщины стенки к диаметру более 0,1 не­ обходимо учитывать влияние кривизны. Приведены формулы, по которым можно рассчитать путь зондирующего импульса от точки ввода до шва с учё­ том кривизны поверхностей. Для всех труб, которые рассматриваются в на­ стоящей работе это отношение менее 0,1, то есть в этом случае справедливы теоретические исследования и предпосылки, сделанные для металлического листа, являющегося исходным материалом для изготовления сварных труб.

Из практики контроля листов наклонными ПЭП известно, что имеет ме­ сто явление, когда амплитуда эхосигнала от искусственного отражателя (Ад), например, от цилиндрического в осевой плоскости листа, значительно больше амплитуды эхосигнала от того же отражателя, расположенного в полубесконечном образце из того же материала, при равном пути зондирующего импуль­ са. В работе [29] приведено теоретическое обоснование этого явления, которое представляет интерес и для автоматизированного контроля прямошовных и спиральношовных труб.

В [29] используется понятие мнимого излучателя и введено определение максимального числа отражений пучка сдвиговых волн от поверхностей стенки листа пот, при превышении которого лист не может рассматриваться как полубезграничная среда. Числу пт соответствует граничное расстояние Ьт от точки ввода сдвиговых волн (точка 0 на рис. 2.2) до отражателя. При соблюдении ус­ ловия п > птимеет место, отмеченное выше увеличение амплитуды Лд от от­ ражателя.

Число п можно определить по формуле где й - толщина листа, а - угол ввода сдвиговых волн.

Рис. 2.2. Схема многократных отражений центрального луча пучка Увеличение А д обусловлено расширением диаграммы направленности мнимого излучателя при многократных отражениях.

При большом а число пт мало, например, для а = 68°, пт = 3, при этом й « 7 мм, а диаметр пьезопластины ПЭП 0 « 10 мм. Расстояние между центром мнимого излучателя 01и точкой 0 можно определить по формуле из [29] где 2 - путь излучаемых волн в призме;

С - скорость продольных волн в призме; С - скорость сдвиговых волн в стали.

При а = 68°, / = 2,5 МГц угол расхождения диаграммы направленности мнимого излучателя на уровне 0,5 равен + 7° от оси.

Расстояние, пройденное зондирующим импульсом от точки ввода до от­ ражателя, можно определить по формуле Для Ь < Ьт справедлива теория для расчета амплитуды А д, принятая для полубезграничных сред [3]. Функция А д (Ь) является осциллирующей [29] и с ростом Ь глубина осцилляций уменьшается (рис.2.3, б), то есть имеет место по­ теря направленных свойств пучка сдвиговых волн (расширение пучка). В рабо­ те [30] отмечено, что при ширине пучка УЗК большей толщины листа распро­ странение УЗК имеет волноводный характер [82]. Это имеет место при п > пт, что и объясняет явление увеличения амплитуды эхосигнала и сглаживание ос­ цилляций функции А д (Ь). В зависимости от конкретных условий контроля сварного шва труб, может быть использована осциллирующая или не осцилли­ рующая функция А д(Ь) (экспериментально рассмотрено ниже).

2.2. ЗАВИСИМОСТЬ АМПЛИТУДЫ ЭХОСИГНАЛА

ОТ РАССТОЯНИЯ ДО ТОЧКИ ВВОДА СДВИГОВЫХ ВОЛН

И ВЛИЯНИЕ ЕЁ ХАРАКТЕРА НА ПАРАМЕТРЫ КОНТРОЛЯ

Для автоматизированного контроля сварного шва труб в потоке ТЭСА рассмотрение функции А д (Ь), имеющей осциллирующий характер представляет интерес. На рис. 2.3, а показана схема многократных отражений пучка сдвиго­ вых волн (зондирующего импульса) от стенок трубы, использованная для полу­ чения зависимости А д (Ь). Согласно [28] интересующие нас трубы можно рас­ сматривать как лист с точки зрения ввода и распространения волн в металле стенки трубы, то есть, справедливы результаты работы [28].

Как отмечено, важнейшим параметром при контроле сварного шва слу­ жит величина Ь0 - оптимальное расстояние по периметру трубы от точки ввода волн до отражателя в металле шва. При выборе параметра Ь0 используют об­ разцы, изготовленные из отрезка трубы без шва [9]. После выбора числа п зна­ чение Ь0 уточняют экспериментально. Согласно (2.4) получим Рис.2.3.Зависимость амплитуды эхосигнала от расстояния до точки ввода а - схема распространения волн в металле стенки трубы; б - график изменения амплитуды Ад от цилиндрического отражателя в зависимости от Ь;

1, 2, 3... - точки расположения отражателя соответствующие пикам функции Ад (Ь);

В [9] рекомендуют применять п не более трех, что вызвано желанием по­ лучить А д большой амплитуды. Но выбор малого п приводит к значительным изменениям амплитуды А д при незначительном смещении шва относительно ПЭП по периметру трубы. Это обусловлено тем, что 2й и 3й пики осцилляции функции А д (Ь) (рис. 2.3, б) имеют большую крутизну фронтов, то есть на этих участках имеет место "быстрое" изменение амплитуды А д от аргумента Ь. При выборе длительности строб-импульса (зоны контроля) на уровне 0,8 А д тах, его длительность оказывается малой.

Строб-импульс на экране дефектоскопа устанавливают на временной оси перед эхосигналом от дальней кромки валика усиления (Ак). Малая длитель­ ность строб-импульса приводит к необходимости использования сложных уст­ ройств слежения за смещениями шва, то есть устройств стабилизации парамет­ ра Ь0 [31]. Требования к точности слежения достигают + 1 мм. Из изложенного следует, что для снижения требований к точности слежения необходимо ис­ пользовать участок функции А д (Ь) с пологим подъемом и спадом, т. е. увели­ чить число п (выбор пика с малой крутизной фронтов).

На рис. 2.3, б показан экспериментально полученный график функции А д (Ь) для образца стальной трубы 0 360 мм, ^10 мм, содержащий цилиндриче­ ский отражатель 0 2 мм посередине между поверхностями стенок образца. Был использован ПЭП с углом призмы Р = 45° (оргстекло), пьезопластина 0 8 мм, 2,5 МГц. Огибающая пиков А д (Ь) (пунктирная линия на рис. 2.3, б) мало отли­ чается от затухающего участка известных АРД диаграмм [3, 87].

В качестве нормы принято значение А д, когда отражатель находится в точке 1 (рис. 2.3, а). Заметим, что вид осциллирующей функции зависит от формы отражающей поверхности, то есть для реальных дефектов разного типа имеют место различия вида А д (Ь), но для приближенной оценки параметра Ь использование образцов с цилиндрическими отражателями приемлемо. Если принять в качестве рабочего пятый пик осцилляции функции А д (Ь), то получим (на уровне 0,8 А дтах) размер зоны контроля по периметру трубы равным 20 мм, а для четвертого пика получим размер зоны равный 14 мм, то есть выбор числа п имеет существенное значение. При п = 5 возможна более широкая зона кон­ троля по периметру трубы, и большая длительность строб-импульса, а значит можно снизить требования к точности слежения за смещениями шва относи­ тельно ПЭП.

2.3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА УГОЛ ВВОДА

СДВИГОВЫХ ВОЛН В МЕТАЛЛ СТЕНКИ ТРУБЫ

Известно, что фактором, влияющим на угол а и, соответственно, на пара­ метр Ь0 относится зависимость скорости УЗК в материале призмы и в металле стенки трубы от изменений температуры. Нестабильность а приводит к неста­ бильности Ь0, ибо параметры Ь0 и а связаны между собой соотношением (2.5).

При каждом изменении а приходится устанавливать новое значение. Из многих факторов существенное значение имеет влияние температуры окру­ жающей среды на величину а.

Выполнена экспериментальная проверка влияния температуры окру­ жающей среды на угол а. Схема эксперимента приведена на рис. 2.4. Были ис­ пользованы серийные ПЭП с углом призмы 45° и 52° (оргстекло) с рабочей час­ тотой 2,5 МГ ц и 5 МГ ц, а также стальная плита 50 х 40 х 100 мм.

Рис. 2.4. Схема эксперимента для оценки угла ввода сдвиговых волн а в сталь в зависимости от изменения температуры окружающей среды:

1 - пьезопластина; 2 - призма (Р - угол призмы из оргстекла);

3 - стальная плита (ширина 50 мм, длина 100 мм, толщина 40 мм);

4 - отражатель в виде паза с цилиндрическим дном (радиус 1 мм, глубина 3 мм) При выполнении эксперимента не учитывалось влияние толщины КСЖ, т.к. использовался контактный вариант связи ПЭП с поверхностью образца. В качестве контактной жидкости использовалось трансформаторное масло. Но­ минальная температура + 20°С. Смещением призмы по оси Х определялось но­ минальное значение ан для А дтах (отражатель - паз с цилиндрическим дном) где ОХ1 - расстояние между точкой ввода УЗК (точка 0) и отражателем.

Результат приведен на рис. 2.5, из которого видно, что более слабая зави­ симость Д а (X °С) имеет место для ПЭП с призмой 45°. Не обнаружена сущест­ венная зависимость а от выбора частоты 2,5 МГц или 5 МГц.

Рис. 2.5. Зависимость относительного изменения угла а для стали угол призмы 45° и 52° (оргстекло); а) частота УЗК 2,5 МГц; б) частота УЗК 5,0 МГц Далее с целью проверки влияния температуры окружающей среды на параметр Ь0 были выполнены эксперименты по схеме рис. 2.3, а. Вначале выполнен численный эксперимент. Принято: ПЭП с призмой 45°, частота 2, МГц, Дх = + 30 °С. По графику рис. 2.5, а получили Д а « 4%. Согласно (2.6) для номинальной температуры + 20°С, измеряя ОХ по схеме рис. 2.4 получе­ но а н ~ 68°. По формуле (2.5) для а н ~ 68° и п = 5 получено X « 108 мм.

Проверка показала, что Ь0 « 108 мм. Результат расчета по формуле (2.5) но­ вого значения Ь'0 с учетом а = (а н + Да) « 71° показал, что Ь'0 = 120 мм, то есть АТ « 12 мм. Следовательно, Дх = + 30° С приводит к заметному влиянию на параметр Ь0.

Выполнены экспериментальные исследования влияния температуры ок­ ружающей среды на изменение Ь0. Результат в виде графика показан на рис. 2.6, из которого видно, что имеется смещение Ь0 примерно на 12 % при А{ = + 30 °С, то есть хорошее совпадение с расчетным значением.

Цель следующего эксперимента в том, чтобы проверить рекомендацию о выборе числа п больше трёх. Эксперимент выполнен для случая п = 5 согласно рис. 2.3. Номинальная температура равна + 20 °С, относительно которой опре­ делены изменения Лд/ Лдтах при изменении { °С. Результат эксперимента пока­ зан на рис. 2.7, из которого видно, что для ПЭП 2,5 МГц при А^ = + 30 °С Ад уменьшается до 0,8 Адтах, то есть находится на краю зоны контроля согласно графику функции Ад (Ь), приведенному на рис. 2.3, б, а для ПЭП 5 МГц умень­ шается до 0,6 А д тах, что обусловлено большей направленностью пучка сдвиго­ вых волн. При п = 5 изменение температуры на 30 °С не приводит к существен­ ному изменению параметра, то есть в этом случае изменением а можно пре­ небречь. Однако, на практике зачастую невозможно обеспечить выбор п рав­ ным 5. Следовательно, необходимо учитывать изменения амплитуды А д от из­ менений а, то есть имеет место функция А д (Ь, а).

В устройствах слежения применяют специальные датчики слежения, на­ пример использующие луч лазера за смещениями шва относительно неподвиж­ ного ПЭП. Сигналы датчиков сравнивают с опорным сигналом, соответствую­ щим Г0. Полученный сигнал рассогласования управляет исполнительным ме­ ханизмом, то есть стабилизируется параметр Г0. При каждом изменении а не­ обходимо изменять значение опорного сигнала в соответствии с новым значе­ нием а.

Задача стабилизации А д при изменении а является более сложной [32], ибо отсутствуют датчики слежения за изменениями а, а также устройства регу­ лирующие а. Известны способы [4, 7] частичной термостабилизации а, но нет способов компенсации изменений а от изменений, например, текстуры и хими­ ческого состава металла стенки трубы, а также от допустимых изменений тол­ щины [1, 33]. Возможно использование устройств [34, 35, 36], обеспечивающих качание пучка сдвиговых волн в металле шва. Однако такие устройства по ряду причин не применяют в установках автоматизированного контроля шва свар­ ных труб.

ЗАВИСИМОСТИ АМПЛИТУДЫ ЭХОСИГНАЛА ОТ РАССТОЯНИЯ

ДО ТОЧКИ ВВОДА СДВИГОВЫХ ВОЛН

На практике возможны случаи, когда функция А д (Ь) не является осцил­ лирующей, что обусловлено малым отношением толщины стенки трубы и раз­ мером сечения УЗ пучка, введенного в металл стенки. В этом случае имеет ме­ сто волноводный характер распространения УЗК. Влиянием изменений а мож­ но пренебречь, то есть, рассматриваем только влияние аргумента Ь.

С целью выявления особенностей функции А д (Ь) для тонкостенных труб были выполнены эксперименты по схеме рис. 2.8, а: труба 0 219 мм, ф 4 мм (сталь мелкозернистая); 2 - призматический ПЭП (пьезопластина 0 10 мм, 2,5 МГц) с углом призмы 45°; 3 - сквозное отверстие 0 2,5 мм, толщина КСЖ (ё) равна 1 мм (трансформаторное масло); Ь - расстояние между точкой ввода и отражателем. Значение А д при Ь = 20 мм принято в качестве нормы.

Эксперимент касается труб, изготавливаемых контактной сваркой. Ре­ зультат эксперимента показан на рис. 2.8, б: функция А д (Ь) практически моно­ тонно спадает.

Отсутствие осцилляций упрощает задачу выбора длительности стробимпульса (зоны контроля). При контроле шва парой ПЭП, акустические оси, которых ориентированы в плоскости перпендикулярной оси шва, нет необхо­ димости применять устройства слежения за швом. Аналогичный результат по­ лучен в [37], где показана возможность контроля металла стенки трубы при пе­ ремещении ПЭП по образующей трубы.

На рис. 2.9 показан график А д (Ь), приведенный в работе [37]: призма 40° (оргстекло), пьезопластина 0 12 мм, 2,5 МГц, контролируемая труба 0 42 мм, ф 6 мм (перлитная сталь). Сигнал А д (рис. 2.9) от продольной трещины, выхо­ дящей на поверхность трубы.

Призма ПЭП 40° (оргстекло); пьезопластина 0 12 мм, 2,5 МГц;

труба 0 42 мм, ф 6 мм (сталь перлитная); Ад - эхосигнал от продольной трещины,

2.5. ВЫБОР ЗОНЫ КОНТРОЛЯ В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ РАССТОЯНИЯ ДО ТОЧКИ ВВОДА СДВИГОВЫХ ВОЛН

Учитывая, что сварные трубы со снятым гратом заподлицо с обеих по­ верхностей с точки зрения УЗ контроля можно рассматривать как бесшовные, ниже приведены результаты экспериментов с использованием бесшовных труб.

Цель экспериментов состояла в том, чтобы определить условия выбора зоны контроля для труб с толщиной стенки до 10 мм при наличии осцилли­ рующей функции А д (Ь). Заметим, что при применении строб-импульса увели­ ченной длительности возрастает вероятность попадания в него импульсных ин­ дустриальных помех, то есть необходимо использование более совершенных электронных средств помехозащиты.

На рис. 2.10, а показана схема эксперимента, В эксперименте был исполь­ зован образец трубы 0 48 мм, ф 3 мм, сталь мелкозернистая; 2 - ПЭП нормаль­ ный совмещенный (пьезопластина 4 х 8 мм, 5 МГц.

Угол ввода а сдвиговых волн в металл определим по Снеллиусу, где Сс - скорость УЗ в стали; Сж- скорость УЗ в воде.

Результат эксперимента показан на рис. 2.10, б: график функции Апга(у) имеет два пика ^ П 1 и АП 2, а график АП линией показана огибающая амплитуд эхосигналов от допустимой продольной риски на наружной поверхности трубы (глубина 0,2 мм, раскрытие 0,2 мм, дли­ на 20 мм). Угол у на рис. 2.10, а показан для случая, когда наблюдался АП тах.

Можно видеть, что первая впадина функции АП (у) совпадает с пиком функции АПРВ(у). Если установить задержку строб-импульса равной 0 - х1 (38 мкс), а дли­ тельность равной х - х1 (15 мкс), то эхосигналы, соответствующие первому пи­ ку АПРВ(у) и второму пику АП (у) будут выделены как прошедшие через порог в зоне строб-импульса. Первый пик функции АПРН(у) не может быть использован, так как он находится на участке КСЖ в случае применения наклонного ПЭП.

Диффузное отражение волн от поверхности трубы показано в виде П-сигнала, амплитуда которого в значительной степени зависит от параметров ПЭП и ус­ тановленного угла в, а также от расстояния между ПЭП и поверхностью стенки трубы.

Зона контроля по у равна 10° (рис. 2.10, а), то есть это широкий участок периметра трубы. В зоне контроля уровень огибающей амплитуд эхосигналов от допустимой риски (пунктирная линия на рис. 2.10, б) не более 0,12 АП 1 тах, то есть можно порог амплитудной селекции установить на уровне 0,25 АП 1 тах (штрихпунктирная линия на рис. 2.10, б). Можно видеть, что в зону контроля попадает и впадина функции АП (у). Эта особенность приводит к необходимо­ сти взаимного качания по углу у ПЭП - труба (первый вариант) или использо­ вать еще один ПЭП, второй пик функции ^пга(у) которого должен совпадать с первым пиком функции АГОВ(у) (второй вариант).

При использовании двух ПЭП зона контроля по у может быть уменьшена в два раза, то есть длительность строб-импульса существенно уменьшается, а это весьма полезно для защиты от импульсных индустриальных помех.

Второй вариант контроля по результатам данных исследований реализо­ ван на металлургическом заводе ОАО «ВМЗ» в ходе модернизации установки УЗ контроля сварного шва Интроскоп-КСШ1. Для этого варианта необходимо использование устройств слежения за швом, так как длина зоны контроля мо­ жет оказаться меньше возможных перемещений шва по периметру трубы отно­ сительно неподвижного ПЭП (с учетом установленного параметра Ь0).

В [39] применена конструкция ПЭП, в которой используется призма с двумя пьезопластинами, смещёнными по периметру контролируемой сварной трубы, что возможно при контроле труб в малом диапазоне толщин стенок.

В случае большого диапазона толщин стенок целесообразно применение с каждой стороны шва пары раздельных ПЭП, смещённых друг от друга по пе­ риметру трубы. При этом для каждого ПЭП необходима регулировка, один ПЭП используется для контроля металла одной половины шва по радиусу тру­ бы, а другой - для второй половины металла шва. В рассмотренном экспери­ менте ^ П попадают в зону контроля после отражения от участка внутренней поверхности стенки трубы ("зеркала").

Выше было показано, что в ряде случаев целесообразно использовать не­ сколько "зеркал". Согласно схеме эксперимента, приведенной на рис. 2.10, а, был проверен случай использования нескольких "зеркал" для сигнала АПРН.

Этот случай показан на рис. 2.11: образец трубы 0 75 мм, 4 мм, на наружной поверхности выполнена продольная риска (глубина 1 мм, раскрытие 0,5 мм, длина 10 мм). В эксперименте был использован ПЭП на 5 МГц с пластиной 5 х 12 мм. График функции АП (у) приведен на рис. 2.11, б. При использова­ нии третьего пика функции А ПН (у) имеют место отражения от трех "зеркал" ("зеркала" на рис. 2.11, а показаны утолщенными линиями).

Рис. 2.10. Схема эксперимента (а) и график функции ПП (у) и ПП (у) (б):

1 - образец трубы 0 48 мм, ^3 мм, сталь мелкозернистая; 2 - ПЭП нормальный совмещенный (пьезопластина 4х8 мм, 5 МГ ц); ПРН - продольная наружная риска (длина 10 мм, глубина 0,5 мм, раскрытие 0,5 мм); ПРВ - продольная внутренняя риска (размеры риски ПРН); 3 - иммерсионная ванна; пунктирная линия - огибающая амплитуд эхосигналов от наружной допустимой риски (продольная, глубина 0,2 мм, раскрытие 0,2 мм, длина 20 мм), на оси I показан строб импульс (длительность 1 - 1\), штрихпунктирной линией показан порог амплитудной селекции эхосигналов Ад Отметим следующее, при рассмотрении осциллирующей функции со­ гласно рис. 2.3, б показана целесообразность использования пятого пика функ­ ции А д(Ь), а на рис. 2.11, б и на рис. 2.10, б показано не более трех пиков функ­ ции АП (у). Различие обусловлено тем, что в экспериментах в иммерсионном варианте были использованы образцы труб малого диаметра, так как исполь­ зуемый механизм для фиксации и вращения труб ограничивал возможность увеличения диаметра образца трубы. Во всех рассмотренных выше экспери­ ментах эхосигналы наблюдались на экране осциллографа в виде радиоимпуль­ сов (на графиках показаны огибающие амплитуд видеосигналов).

Рис. 2.11. Схема эксперимента (а) и график функции ЛП (у):

1 - образец трубы 075 мм, ф 4 мм (сталь мелкозернистая);

2 - ПЭП нормальный совмещенный (пьезопластина 5x12 мм, 5 МГц);

ПРН - продольная наружная риска, глубина 1 мм, раскрытие 0,5 мм, длина 10 мм При контроле труб с полностью снятым гратом, местоположение шва по периметру трубы неопределенно. Задача определения участка периметра трубы содержащего сварной шов, в этом случае является актуальной.