У будівництві застосовують труби від 28 до 1420 мм з товщиною стінки від 3 до 30 мм. Весь діапазон діаметрів за дефектоскопічною умовно можна поділити на 3 групи:
Ø від 28 до 100 мм та Н від 3 до 7 мм
Ø від 108 до 920 мм та Н від 4 до 25 мм
Ø від 1020 до 1420 мм та Н від 12 до 30 мм
Згідно з дослідженнями, що були проведені у МДТУ ім. Н.Е. Баумана за останній час у процесі розробки методів ультразвукового контролю зварних з'єднань труб слід враховувати такий дуже важливий фактор, як анізотропію пружних характеристик матеріалу труб.
Анізотропія трубної сталі, її особливості
Анізотропія - це відмінність якостей середовища (наприклад, фізичних: теплопровідності, пружності, електропровідності та ін) в різних напрямках всередині даного середовища.
У процесі УЗ-контролю зварних з'єднань магістральних газопроводів, зібраних із труб вітчизняного та зарубіжного виробництва, виявлено перепустку серйозних кореневих дефектів, неточну оцінку їх координат, суттєвий рівень акустичних шумів.
Мал. 1. Позначення наплавлень у металі труби: X, Y, Z. - напрями поширення ультразвуку: х, у, z: - напрями поляризації; Y-напрямок прокату: Z-перпендикуляр до площини труби
З'ясувалося, що при дотриманні оптимальних параметрів контролю та під час його проведення головна причина пропуску дефекту – наявність значної анізотропії пружних властивостей основного матеріалу. Вона впливає на швидкість, згасання та відхилення від прямолінійності руху ультразвукового пучка.
Під час прозвучування металу понад 200 штук труб за схемою, зображеною на мал. 1, з'ясувалося, що середньоквадратичне відхилення швидкості хвилі при такому напрямку руху та поляризації дорівнює 2 м/с (для поперечних хвиль). Відхилення швидкостей від табличних величин на 100 м/с і більше є випадковими і пов'язані, ймовірно, з технологією виробництва прокату і труб. Такі відхилення мають сильний вплив на поширення поляризованих хвиль. Крім зазначеної анізотропії, виявлено також неоднорідність швидкості звуку по товщині стінки труби.
Структура листового прокату шарувата, що є витягнутими під час деформації волокна металу та інших включень. Крім того, через вплив на метал термомеханічного циклу прокатки, нерівномірні по товщині ділянки листа піддаються різним деформаціям. Ці особливості стають причиною того, що швидкість звуку додатково залежить від глибини знаходження шару, що прозвучується.
Особливості контролю зварних швів труб різного діаметру
Труби Ø від 28 до 100 мм
Відмінною особливістю зварних швів труб Ø від 28 до 100 мм з Н від 3 до 7 мм є виникнення провисань усередині труби. Це стає причиною появи на екрані дефектоскопа помилкових луна від них під час контролю прямим променем, які збігаються за часом з луною, відбитими від надкореневих дефектів, знайдених одноразово відбитим променем. У зв'язку з тим, що ефективна ширина пучка порівнянна з товщиною стінки труби, відбивач вкрай складно ідентифікувати за місцезнаходженням шукача щодо валика посилення. У центрі шва також є неконтрольована зона через велику ширину валика шва. Все це є причиною низької ймовірності (10-12%) виявлення неприпустимих об'ємних дефектів, хоча неприпустимі площинні дефекти виявляються набагато краще (~85%). Основні характеристики провисання – глибина, ширина та кут змикання з поверхнею об'єкта – є випадковими величинами для цього типорозміру труб; середні значення дорівнюють відповідно 2,7 мм; 6,5 мм та 56°30'.
Прокат себе веде як анізотропне та неоднорідне середовище з досить складними залежностями швидкостей пружних хвиль від напрямку поляризації та прозвучування. Швидкість звуку змінюється приблизно симетрично до середини перерізу листа, причому у районі цієї середини швидкість поперечної хвилі може сильно (до 10 %) зменшуватися проти навколишніми областями. Швидкість поперечної хвилі в об'єктах, що контролюються, змінюється в діапазоні від 3070 до 3420 м/с. На глибині до 3 мм від поверхні прокату швидкість поперечної хвилі може трохи (до 1%) збільшитися.
Перешкодостійкість контролю значно підвищується у разі використання похилих роздільно-сумісних ПЕП типу РСН (мал. 2), які названі хордовими. Вони були сконструйовані у МДТУ ім. Н.Е. Баумана. Особливістю контролю є те, що під час пошуку дефектів немає необхідності у поперечному скануванні. Воно виконується тільки по периметру труби в момент притискання шва передньої грані перетворювача.
Мал. 2. Похилий хордовий РСН-ПЕП: 1 - випромінювач: 2 - приймач
Мал. 2. Похилий хордовий РСН-ПЕП: 1 - випромінювач: 2 - приймач
Прокат себе веде як анізотропне та неоднорідне середовище з досить складними залежностями швидкостей пружних хвиль від напрямку поляризації та прозвучування. Швидкість звуку змінюється приблизно симетрично до середини перерізу листа, причому у районі цієї середини швидкість поперечної хвилі може сильно (до 10 %) зменшуватися проти навколишніми областями. Швидкість поперечної хвилі в об'єктах, що контролюються, змінюється в діапазоні від 3070 до 3420 м/с. На глибині до 3 мм від поверхні прокату швидкість поперечної хвилі може трохи (до 1%) збільшитися.
Перешкодостійкість контролю значно підвищується у разі використання похилих роздільно-сумісних ПЕП типу РСН (мал. 2), які названі хордовими. Вони були сконструйовані у МДТУ ім. Н.Е. Баумана. Особливістю контролю є те, що під час пошуку дефектів немає необхідності у поперечному скануванні. Воно виконується тільки по периметру труби в момент притискання шва передньої грані перетворювача.
Труби Ø від 108 до 920 мм
Труби Ø від 108 до 920 мм з Н від 4 до 25 мм також з'єднують одностороннім зварюванням без зворотного підварювання. Донедавна контроль даних сполук виконували за допомогою суміщених ПЕП за методикою, складеною для труб від 28 до 100 мм. Але для такої методики контролю потрібна наявність досить великої зони збігів (зони невизначеності). Це значно знижує точність оцінки якості з'єднання. Крім того, суміщені ПЕП характеризуються високим рівнем ревербераційних шумів, які ускладнюють розшифровку сигналів, а також нерівномірність чутливості, яку не завжди можуть компенсувати доступні засоби. Використання хордових роздільно-сумісних ПЕП з метою контролю цього типорозміру зварних сполук недоцільно, оскільки через обмеженість величин кутів введення ультразвукових коливань з поверхні зварного з'єднання габарити перетворювачів істотно збільшуються, стає більшою і площа акустичного контакту.
Мал. 3. Зміна кута введення альфа, межі половини кута розкриття діаграми спрямованості РСН-ПЭП залежно від кута розвороту дельта.
У МДТУ ім. Н.Е. Баумана створені похилі ПЕП з вирівняною чутливістю для виконання контролю зварних стиків від 100 мм. Вирівнювання чутливості забезпечує такий вибір кута розвороту 2, щоб верхня частина і середина шва прозвучували центральним один раз відбитим променем, а нижня частина - прямими периферійними променями, які падають на дефект під кутом Y від центрального. На мал. 3. показаний графік залежності кута введення поперечної хвилі від кута розвороту та розкриття діаграми спрямованості Y. У таких ПЕП падаюча і відбита від дефекту хвилі є горизонтально поляризованими (SН-хвиля).
З графіків ясно, що під час виконання контролю об'єктів з товщиною стінки 25 мм нерівномірність чутливості РС-ПЕП досягає 5 дБ, водночас як суміщений ПЕП вона може досягти 25 дБ. РС-ПЕП характеризується підвищеним рівнем сигнал - перешкода і тому підвищеної абсолютної чутливістю. Наприклад, РС-ПЭП без проблем виявляє дефект площею 0,5 мм2 у процесі контролю зварного з'єднання товщиною 10 мм як прямим, і один раз відбитим променем щодо корисний сигнал/перешкода 10 дБ. Порядок виконання контролю даними ПЕП такий самий, як і суміщеним ПЕП.
Труби Ø від 1020 до 1420 мм
Зварні стики труб Ø від 1020 до 1420 мм з Н від 12 до 30 мм виконують двостороннім зварюванням або з підварюванням зворотного валика шва. У швах, які виконані двостороннім зварюванням, зазвичай, хибні сигнали від задньої кромки валика посилення дають не таку велику перешкоду, як в односторонніх швах. Їхня амплітуда не така велика через більш плавні обриси валика. Крім того, вони далі по розгортці. З цієї причини, для проведення дефектоскопії це відповідний типорозмір труб. Але результати досліджень, проведених у МДТУ ім. Н.Е. Баумана показують, що метал даних труб відрізняється найбільшою анізотропією. Щоб знизити вплив анізотропії на виявлення дефектів, слід використовувати ПЕП на частоту 2,5 МГц з кутом призми 45°, а не 50°, як зазначено в більшості нормативних документів. Найвищу точність контролю вдалося отримати під час використання ПЕП типу РСМ-Н12. На відміну від методики, складеної для труб Ø від 28 до 100 мм, при контролі даних з'єднань відсутня зона невизначеності. В іншому спосіб контролю аналогічний. При використанні РС-ПЕП налаштування швидкості та чутливості розгортки також рекомендується виконувати за вертикальним свердлінням. Налаштування швидкості та чутливості розгортки похилих суміщених ПЕП слід проводити за кутовими відбивачами відповідного розміру.
У процесі контролю зварних швів необхідно пам'ятати, що в навколошовній зоні бувають розшарування металу, які ускладнюють визначення координат дефекту. Зону, в якій знайдено дефект похилим ПЕП, необхідно додатково проконтролювати прямим ПЕП з метою уточнення характеру дефекту та виявлення точного значення глибини дефекту.
В атомній, нафтохімічній промисловості та атомній енергетиці при виготовленні трубопроводів, апаратів та судин часто використовують плаковані сталі. Для плакування внутрішньої стіни цих конструкцій застосовують аустенітні сталі, які наносять шляхом наплавлення, прокатки або вибуху шаром від 5 до 15 мм.
Процес контролю даних зварних з'єднань передбачає аналіз суцільності перлітної частини зварного шва, а також зони сплавлення з відновною антикорозійною наплавкою. При цьому суцільність тіла самої наплавлення не контролюється.
Однак через відмінність акустичних параметрів основного металу і аустенітної сталі, від межі розділу під час проведення ультразвукового контролю виникають ехо-сигнали, що перешкоджають виявленню недоліків, наприклад, відшарування плакування і піднаплавних тріщин. До того ж, наявність плакування та її характеристики значно впливають на параметри акустичного тракту ПЕП.
Тому стандартні технологічні рішення є неефективними при контролі товстостінних зварних швів плакованих трубопроводів.
Після багаторічних досліджень вчені з'ясували основні особливості акустичного тракту. Були отримані рекомендації щодо оптимізації його характеристик та розроблено технологію виконання ультразвукового аналізу зварних швів з аустенітним плакуванням.
Зокрема, вчені встановили, що при перевідображенні пучка ультразвукових хвиль від межі перліт-аустенітного плакування майже не змінюється діаграма спрямованості у разі плакування прокаткою та значно змінюється у разі нанесення плакування наплавкою. Її ширина значно зростає, а межах головного пелюстки є осциляції в 15-20 дБ залежно від способу наплавки. Відбувається значне переміщення точки виходу відбиття від межі плакування пучка порівняно з місцезнаходженням, а також змінюється швидкість поперечних хвиль в перехідній зоні.
При розробці технології контролю зварних з'єднань плакованих трубопроводів враховували все це. Ця технологія передбачає попереднє обов'язкове визначення товщини перлітної частини (глибини проплавлення антикорозійного наплавлення).
Для більш точного виявлення площинних дефектів (несплавлення і тріщин) краще використовувати ПЕП з кутом введення 45 ° і частоту 4 МГц. Більш точне виявлення вертикально орієнтованих дефектів на вугіллі введення 45° на відміну кутів 60 і 70° пояснюється тим, що під час прозвучування останніми кут зустрічі пучка з дефектом близький до третього критичного, при якому коефіцієнт відображення поперечної хвилі мінімальний.
Під час прозвучування труби зовні на частоті 2 МГц ехо-сигнал від дефектів екранує інтенсивний і тривалий сигнал шуму. Стійкість до перешкод ПЕП на частоту 4 МГц загалом на 12 дБ вище. Тому корисний сигнал від дефекту, який знаходиться в безпосередній близькості від межі наплавлення, краще зчитуватися на тлі перешкод. І навпаки, під час прозвучування труби зсередини через наплавлення кращу стійкість до перешкод забезпечать ПЕП на частоту 2 МГц.
Регламентує технологію контролю зварних швів трубопроводів з наплавленням документ Держатомнагляду РФПНАЕГ-7-030-91.
