Способ определения непроваров в сварных швах технологических трубопроводов методом калибровки преобразователей акустической эмиссии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Способ определения непроваров в сварных швах технологических трубопроводов методом калибровки преобразователей акустической эмиссии

А.Г. Фиклистов

Иркутский государственный технический университет,

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Описана теоретическая возможность использования метода калибровки преобразователей акустической эмиссии для выявления непроваров в сварных швах технологических трубопроводов. Предложен способ контроля с рядом преимуществ перед традиционными методами определения непроваров (ультразвуковой и радиографический). Способ является инновационным, позволяет обнаружить статичный дефект без создания в конструкции напряженно-деформированного состояния. Суть способа сведена к сравнению доли пройденной энергии от имитатора СУ-Нильсена, через сварные швы с полным проплавлением и швы с непроварами различной глубины и протяженности

Ключевые слова: непровар; технологические трубопроводы; неразрушающий контроль; метод акустической эмиссии; калибровка преобразователей акустической эмиссии.

сварной шов проплавление акустический

THE WAY OF FAULTY FUSION DETECTION IN WELDS OF TECHNOLOGICAL PIPELINES BY MEANS OF CALIBRATION OF ACOUSTIC EMISSION TRANSDUCERS

A. Fiklistov

Irkutsk State Technical University

83 Lermontov Str., Irkutsk 664074

The paper describes the theoretical possibility of using calibration procedure of acoustic emission transducers to detect faulty fusion in welds of industrial pipeline. The author proposes the way of faulty fusion control with variety of advantages over the traditional methods (ultrasonic and radiographic). The method is an innovative; it makes it possible to detect the static defect in the design without creating deflected mode. The core of the method converges to the comparison of the energy portion passed from the simulator SU-Nielsen through the welded joints with full penetration and welds with faulty fusion of different depth and length.

Illustrations: 2 figs. Sources: 5 refs.

Keywords: faulty fusion; industrial pipelines; non-destructive testing; acoustic emission, calibration of acoustic emission transducers

Непровар или неполный провар - дефект в виде несплавления в сварном соединении вследствие неполного расплавления кромок основного металла или поверхностей ранее выполненных валиков сварного шва.

Непровары образуются:

· в нижней части шва (корне) при односторонней сварке стыковых соединений;

· в центре шва при двусторонней сварке металла без скоса кромок;

· в корне угловых швов и в случае разделки со скосом кромок;

· по кромкам разных типов соединений;

· между отдельными слоями в многослойных швах (рис. 1).

Причины образования непроваров:

· плохая очистка кромок;

· большая скорость сварки;

· чрезмерно большой диаметр электрода для данных размеров и формы подготовки кромок;

· неправильная подготовка кромок под сварку (малый угол скоса кромок и зазор), большое притупление, перекос или смещение кромок;

· сварка шва в потолочном положении.

Рис. 1. Типы непроваров

Непровар относится к плоскостным, трещиноподобным дефектам, оказывающим существенное влияние на снижение эксплуатационных характеристик сварных швов технологических трубопроводов [3, с. 95]. Технологические трубопроводы, как правило, работают при циклических нагрузках, что увеличивает вероятность появления в процессе эксплуатации трещин от различных концентраторов напряжений (например, непроваров).

В правилах устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов, сказано: на трубопроводах I категории допускаются непровары по оси шва, до 20 %, но не более 3 мм, и по длине, до 25 % периметра.

Для высокопрочных и малопластичных материалов, а так же при динамической нагрузке непровары существенно снижают работоспособность конструкции и не допускаются.

Непровары выявляются, объемными методами контроля, к ним относятся: ультразвуковой (УЗ), радиографический (РГ) и метод акустической эмиссии (испускание объектом контроля акустических волн), далее по тексту АЭ.

Рассмотрим условия, необходимые для проведения контроля сварных швов этими методами.

Для проведения УЗ контроля сварного соединения необходимо опорожнить трубопровод от продукта, вскрыть изоляцию (если таковая имеется), зачистить зону сканирования. Шероховатость зоны после зачистки не хуже Rz 40, ширина зоны сканирования определяется по формуле , при контроле на прямом и однократно отраженном луче, где Н толщина стенки, а угол ввода преобразователя, А база преобразователя [4, с. 27]. Зону сканирования зачищают с двух сторон от шва, также необходим притертый преобразователь на каждый диаметр трубы. Необходимо иметь данные о диаметре трубы, толщине стенки и материале для настройки прибора. Оценка результатов контроля происходит на месте.

Для проведения РГ контроля сварного соединения необходимо опорожнить трубопровод от продукта, вскрыть изоляцию (если таковая имеется), зачистить шов и околошовную зону от шлака и брызг металла. Необходимо иметь данные о диаметре трубы, толщине стенки и материале для выбора размера кассет, эталона чувствительности и типа пленки. Оценка результатов контроля занимает длительное время, так как просвечивание происходит на месте установки трубопровода, а проявление пленки и оценка результатов контроля - в лаборатории [5, с. 78]. Так же есть риск получения снимков неудовлетворительного качества по различным причинам, в результате чего швы нужно будет пересвечивать.

Для проведения АЭ контроля допускается не опорожнять трубопровод, вскрытие изоляции необходимо лишь в местах установки преобразователей акустической эмиссии, далее по тексту ПАЭ (устройство, в котором механический сигнал акустической эмиссии преобразуется в электрический сигнал). Зачистка поверхности проводится лишь в местах установки ПАЭ, размер зоны зачистки 20Ч20мм. Оценка результатов контроля происходит на месте.

Метод АЭ имеет ряд преимуществ: небольшая зона зачистки по сравнению с УЗ методом, и экспресс анализ результатов по сравнению с РГ методом.

Метод акустической эмиссии основан на регистрации и анализе акустических волн, возникающих в процессе пластической деформации и разрушения (роста трещин) контролируемых объектов. Это позволяет формировать адекватную систему классификации дефектов и критерии оценки состояния объекта, основанные на реальном влиянии дефекта на объект. Другим источником АЭ контроля является истечение рабочего тела (жидкости или газа) через сквозные отверстия в контролируемом объекте [1, с. 49].

Характерными особенностями метода АЭ контроля, определяющими его возможности и область применения, являются:

· метод АЭ контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности;

· метод АЭ контроля обладает весьма высокой чувствительностью к растущим дефектам - позволяет выявить в рабочих условиях приращение трещины порядка долей мм. Предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры по теоретическим оценкам составляет порядка

1 x 1E(-6) мм2, что соответствует выявлению скачка трещины протяженностью 1 мкм на величину

1 мкм;

· свойство интегральности метода АЭ контроля обеспечивает контроль всего объекта с использованием одного или нескольких преобразователей АЭ, неподвижно установленных на поверхности объекта контроля.

АЭ-контроль технического состояния обследуемых объектов проводится только при создании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников АЭ (область объекта испытаний, в которой происходит преобразование какого-либо вида энергии в механическую энергию акустической эмиссии). Для этого объект подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д. Выбор вида нагрузки определяется конструкцией объекта, условиями его работы и характером испытаний [2, с. 56].

При проведении гидравлических и пневматических испытаний технологических трубопроводов в сопровождении АЭ контроля была замечена следующая особенность. При расстановке преобразователей на объекты контроля (трубопроводы), с одинаковой толщиной стенки, диаметром и маркой стали, и последующей калибровке ПАЭ были получены разные коэффициенты ослабления (убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обычно выражаемое в децибелах на единицу длины дБ/м) или затухания сигнала. Значения коэффициентов затухания отличались в 1,5-2 раза. Это может быть связано с наличием в сварных швах трубопроводов непроваров.

Для выбора расстояния между ПАЭ производят измерение затухания. При этом выбирают представительную часть объекта без патрубков, проходов и т.п., устанавливают ПАЭ, и перемещают (через 0,5 м) имитатор АЭ по линии в направлении от ПАЭ на расстояние до 3 м. В качестве имитатора АЭ рекомендуется использовать излом графитового стержня карандаша (имитатор Су-Нильсена) диаметром 0,3 ... 0,5 мм, твердостью 2Н (2Т), с углом наклона стержня приблизительно 30 град. к поверхности, стержень выдвигают на 2,5 мм. Как правило, разница амплитуд имитатора АЭ при расположении его вблизи ПАЭ и на краю зоны не должна превышать 20 дБ.

Из практики известно, что затухание на прямых участках трубопроводов составляет 3-4 дБ/м, на сварных швах, как правило 2 дБ/м, на отводах 4 дБ/м. Для наглядности возьмем два участка трубопровода с П-образными компенсаторами, рис. 2.

Рис. 2. Схема расстановки ПАЭ

На первом компенсаторе при изломе стержня карандаша ПАЭ №1 зафиксировал сигнал с амплитудой 88 дБ, ПАЭ №2 - сигнал с амплитудой 70 дБ. Затухание составило 18 дБ. На втором компенсаторе затухание составило 25 дБ, что почти в полтора раза больше первого результата и не соответствует требованиям правил ПБ 03-593-03 «Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов».

Суть предлагаемого способа сводится к сравнению доли пройденной энергии от имитатора СУ-Нильсена, через сварные швы с полным проплавлением и швы с непроварами различной глубины и протяженности. Полости непроваров как правило заполнены шлаком, воздухом или технологической средой, поэтому скорости распространения ультразвуковых волн в стали и в инородной среде будут отличаться в несколько раз. Скорость распространения волн Лэмба в стали 3200 м/с, в воздухе 330 м/с, исходя из этого можно предположить, что большая часть энергии АЭ сигнала при прохождении через шов с непроваром будет отражаться. Данные предположения требуют дополнительного подтверждения на практике.

Библиографический список

1. Иванов В.И., Белов В.М. Акустико-эмиссионный контроль сварки и сварных соединений. - М.: Машиностроение, 2003. - 186 с.

2. Углов А.Н., Ерофеев В.И., Смирнов А.Н. Акустический контроль оборудования при изготовлении и эксплуатации. - М.: Наука, 2009. - 235 с.

3. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. Усталость сварных конструкций. - М.: Машиностроение, 2005. - 270 с.

4. Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении. - СПб.: Изд-во «Свен», 2007. - 296 с.

5. Горбачев В.И., Семенов А.П. Радиографический контроль сварных соединений. - М.: Спутник, 2009. - 486 с.

Размещено на Allbest.ru