Развитие неразрушающего контроля ответственных металлоконструкций

17.07.2018
Потенциальные объемы применения и организация решения проблем неразрушающего контроля в Украине. Традиционно в Украине серьезное значение придается применению методов неразрушающего контроля (HK) качества во всех крупных отраслях промышленности.

В промышленном комплексе бывшего СССР была принята отраслевая организация технического контроля. Каждое министерство имело свои научно-исследовательские институты. Как правило, одному из них министерство поручало организацию головного в отрасли отдела НК, который осуществлял научное и технологическое руководство решением проблем НК, создание отраслевых нормативных документов, надзор за выполнением HK на предприятиях.

До сих пор на многих предприятиях сохранились центральные заводские лаборатории, одной из функций которых является организация (проведение) НК. В настоящее время большинство отраслевых институтов оказались за пределами Украины. Поэтому разработками конкретных методик и оборудования для HK в настоящих условиях занимаются институты Национальной академии наук Украины, вузы, лаборатории крупных промышленных объединений и частные фирмы.

Поскольку основные производители дефектоскопического оборудования, как и некоторые отраслевые институты, остались за пределами страны, появились новые фирмы, поставляющие и производящие дефектоскопы, толщиномеры и другие приборы, необходимые для выполнения НК.

Возросла роль Украинского общества неразрушающего контроля и технической диагностики (УО НКТД), которое ежегодно в Украине проводит примерно пять тематических и отраслевых конференций. Стали традиционными тематические семинары в Славском, Ялте, Ивано-Франковске, Киеве и Днепропетровске. В мае 2000 г. в Днепропетровске проведена Третья научно-техническая конференция «Техническая диагностика и неразрушающий контроль в Украине».

УО HKTД является одним из фундаторов Европейской федерации по неразрушающему контролю (EF NDT). Подписан ряд двусторонних соглашений о сотрудничестве с аналогичными обществами России, Беларуссии, Хорватии, Польши, Чехии, Канады, Германии, Великобритании, Дании, Италии, США и др. Общество принимает участие в заседаниях рабочих групп федерации, в подготовке Всемирного конгресса по НК, который состоится в октябре 2000 г.

В настоящее время в Украине действует шесть аккредитованных аттестационных центров (в Киеве, Харькове, Днепропетровске, Запорожье, Львове и Ивано-Франковске), занимающихся аттестацией персонала по НК. Наиболее известный из них - Аттестационный центр HK при ИЭС им. Е.О. Патона, который первым (еще в 1990 г.) получил лицензию от Национального аттестационного комитета (HAK) СССР на право аттестации специалистов НК.

HAK Украины ведет активную работу в рабочей группе EF NDT по совершенствованию основного европейского стандарта EN 473 в части аттестации персонала НК.

Некоторые разработки последних лет в области НК. В области акустических методов HK разработаны и внедрены на трубных и металлургических заводах автоматизированные установки ультразвукового контроля (УЗК) качества продольных сварных швов труб большого диаметра с раздельной фиксацией дефектов в шве и в околошовной зоне. Скорость контроля с помощью таких установок достигает 20 м/мин. Контроль осуществляется посредством 6...8 преобразователей. Каждый канал имеет блок автоматической отметки дефектных участков. Следящая система позволяет поддерживать расстояние между преобразователями и осью шва с точностью до 2 мм. Ввод УЗ колебаний в металл производится с помощью локальной ванны. Применение различных преобразователей позволяет определить вид и ориентацию дефектов, повысить достоверность контроля. Установка типа HК-180 производит автоматизированный УЗК (АУЗК) труб диаметром 478...1020 мм с толщиной стенки 8...32 мм в технологическом потоке производства и на трубных базах, имеет ряд бесспорных технологических преимуществ перед зарубежными аналогами, например по точности слежения за осью шва со сложной геометрией, по расходам контактной среды и т. п. Однако наиболее значительным преимуществом является раздельная регистрация дефектов металла шва и околошовной зоны.

Для АУЗК стыковых сварных соединений, имеющих трудно выявляемые дефекты типа слипаний, оксидных плен и т. п., которые выполнены контактной сваркой, создана опытная автоматизированная установка типа HК-143. В основе ее работы заложена методика статистической обработки УЗ информации с адаптивным выбором порога отбраковки. При этом без применения традиционной настройки по эталонам путем записи всех отраженных от шва сигналов статистически устанавливается браковочный уровень, соответствующий аномалиям стыкового сварного соединения.

Для выявления в изделиях дефектов с низкой отражательной способностью на фоне структурных помех разработаны математические модели волнового поля и алгоритмы обнаружения и распознавания дефектов при автоматизированном контроле. На основе этих разработок создана многоканальная установка типа HK-164, работой которой управляет микроЭВМ по программе, обеспечивающей выбор основных параметров системы (количество и последовательность включения каналов, задержка и длительность стробов для каждого канала, коэффициенты усиления эхо-импульсов и т. д.). По этой же программе происходит обработка результатов УЗК — вычисление адаптивного порога обнаружения, определение условных размеров, местоположения и вида дефектов. Вся необходимая информация индицируется на экране дисплея и запоминается на гибких магнитных дисках.

Поддержание работоспособности агрегатов атомной электростанции (АЭС) обеспечивается за счет периодических профилактических рсмош тных работ, проводимых на основе результатов HK и технического диагностирования. Очевидно, что эффективность профилактики зависит в значительной степени от точности и достоверности данных, полученных при НК.

Для АУЗК кольцевых сварных швов трубопровода первого контура АЭС в ИЭС им. Е.О. Патона создан комплекс Н193, в котором восьмиканальный акустический блок перемещается легкосъемным двухкоординатным сканирующим механизмом со скоростью до 25 м/мин. Система управления, обработки, регистрации и отображения данных УЗК реализована на базе индустриального компьютера AWS-350 и АЦП на 20 МГц фирмы «Advantech».

Комплекс H193 обеспечивает дистанционный контроль кольцевых сварных соединений и определение характеристик дефекта. Результаты его эксплуатации на трубопроводах главного циркуляционного насоса реактора РБМК-1000 Чернобыльской АЭС подтвердили технологическую эффективность комплекса.

Универсальность разработанной дефектоскопической аппаратуры позволила создать на ее базе оборудование для АУЗК сварного шва и основного металла стояков верхнего тракта технологических каналов реактора РБМК-1000 и другого оборудования АЭС.

Для экспресс-контроля качества сварных соединений металлоконструкций в полевых условиях в ИЭС им. Е.О. Патона разработан переносной дефектоскоп на основе постоянных самарийкобальтовых магнитов типа ЭМ-2, предназначенных для непрерывного намагничивания протяженных стыковых сварных соединений и участков изделий из ферромагнитных материалов на монтаже и в условиях, где энергоснабжение затруднено или нежелательно. Устройство ЭМ-2 выполнено в виде магнитной колесной пары с общей магнитной осью и размещенной на ней рукояткой из не магнитного материала, что позволяет производить намагничивание изделия в любом пространственном положении. Устройство безопасно в работе, не нуждается в питании электроэнергией, надежно удерживается на объекте контроля от случайного отрыва силой поля постоянных магнитов. Вместе с тем оно легко снимается с контролируемой поверхности путем поворота рукоятки на 180° относительно магнитной оси. На основе этого устройства налажено производство портативных дефектоскопов типа «МАГЭКС» для магнитопорошкового контроля в полевых условиях.

В последние годы разработаны методики для HK различных покрытий, керамических, композиционных и неметаллических материалов. Из этих разработок наибольшее распространение получили методики определения местоположения дефектов сварных соединений полиэтиленовых труб. Благодаря использованию УЗК в полиэтилене обнаруживают дефекты типа трещин, непроваров, раковин, пор, несплавлений. Изучены особенности УЗК сварных соединений полиэтиленовых труб с применением эхо-импульсного и эхо-зеркального методов, а также метода дифрагированных волн. Сравнительный анализ результатов УЗК с данными разрушающих испытаний подтвердил высокую достоверность обнаружения дефектов различных типов в полиэтилене.

Перспективные направления HK как основы технической диагностики продолжительно работающих металлоконструкций. Одним из быстроразвивающихся направлений является компьютеризация процесса HK и совершенствование технологии дефектоскопии. Компьютерная обработка позволяет визуализировать результаты контроля, существенно повышать достоверность результатов испытаний, обрабатывать большие массивы информации, разрабатывать принципиально новые технологии НК. Преимуществами таких дефектоскопов перед другими образцами аналогичного оборудования являются следующие:

- возможность запоминания формы акустического сигнала, его спектральный анализ с высокой разрешающей способностью разделять принятые сигналы;

- проведение статистической обработки информации в практически реальном масштабе времени с построением соответствующих графиков;

- применение метода синтезированной фокусной апертуры (Super-SAFT);

- реализация метода оценки размеров дефектов по временному интервалу между акустическими волнами, дифрагированными на его краях при прозвучиванин широким пучком (метод TOFD) и т. д.

В последнем случае ориентация дефекта, затухание в материале, качество акустического контакта оказывают на результаты контроля значительно меньшее влияние, чем при эхо-импульсном и других обычных методах. Метод TOFD дает возможность обнаружения и оценки параметров дефектов в соединениях, выполненных контактной стыковой сваркой, оплавлением, электронно-лучевой и другими трудными для дефектоскопии способами сварки. Такие дефектоскопы использовали для исследования керамических материалов, пластмасс, композитов. Keрамику в последние годы широко применяют как альтернативный материал в связи с ее низкой удельной массой, высокой коррозионно- и износостойкостью.

He менее важной проблемой в последнее время является оценка преддефектного состояния материала, данные о котором в случае, когда еще нет несплошности, позволяют принимать необходимые меры, предупреждающие возникновение дефектов, а также прогнозировать ресурс работоспособности изделия. Преддефектное состояние материала можно прогнозировать на основе оценки пространственного распределения и измерения некоторых физико-механических характеристик (ФМХ) материала по объему изделия, определяющих его прочностные свойства.

Для оценки ФМХ металлических материалов одним из наиболее приемлемых (из-за высокой проникающей способности) является метод УЗ зондирования, поскольку ряд параметров зондирующего УЗ поля (скорость, дисперсия, амплитуда, направление вектора поляризации) зависят от ФМХ материала. Около 90 % работ по оценке ФМХ ультразвуковыми методами базируются на использовании того факта, что скорость ультразвука зависит от ФМХ. Метод оценки ФМХ акустическими средствами, в отличие от метода акустической эмиссии, которая фиксирует разрывы в структуре материала, является пассивным, не требующим внешних нагружений. Изменение акустических свойств материала является признаком структурных изменений, требующих заблаговременного выявления в ответственных объектах.

Зачастую оценку прочностных и других физических свойств металла успешно выполняют и по магнитным свойствам намагниченного металла (коэрцитивная сила, остаточная индукция, магнитная проницаемость и т. п.), например, сортируют детали после закалки, узлы после длительной эксплуатации.

В последние годы появился пассивный магнитный метод оценки ФМХ металлоконструкций, не требующий применения специальных внешних испытательных воздействий на металл и намагничивающих устройств. Это метод так называемой магнитной памяти (ММП), основанный на анализе распределения магнитных полей рассеяния на поверхности металлоконструкции, отображающих историю ее нагружения, особенности эксплуатации. Магнитные поля на поверхности металлоконструкции появляются как результат необратимых внутриструктурных изменений в направлении действия главных рабочих нагрузок. Это явление объясняется наличием магнитного поля в каждом микроэлементе структуры. Хаотически расположенные доменные магнитные поля под действием механических внутриструктурных перемещений в металле, например в зоне изгиба, приводят к их упорядочению и соответственно к появлению магнитного поля на поверхности металла. Естественно, чем интенсивнее и дольше нагружалась структура металла тем большее магнитное поле на поверхности и вероятнее образование трещины. Метод ММП нашел эффективное применение для оценки состояния предразрушения лопаток турбин, железнодорожных рельсов и т. п. В настоящее время подготовлена и реализуется программа по внедрению метода ММП на объектах Госнадзорохрантруда Украины.

К сожалению, на практике зачастую приходится иметь дело с большим количеством уже сформировавшихся дефектов, за развитием и объединением которых надо наблюдать. Компьютеризация процессов HK позволяет производить оценку дефектности наиболее нагруженных участков конструкции, в теле которой может присутствовать одновременно множество разнообразных дефектов.

Примеры новых технологических возможностей при компьютеризации процессов НК. По заказу Министерства энергетики и электрификации Украины с помощью ультразвуковой компьютеризированной системы P-scan были произведены экспертная оценка состояния металла ответственных элементов энергооборудования после проверки их ручными ультразвуковыми дефектоскопами и сравнительное экспериментальное исследование традиционных технологических приемов на соответствие требованиям действующей в отрасли нормативной документации. Такая ревизия использовалась для исследования трудно поддающихся оценке питтинговой коррозии металла трубопроводов, гибов паропроводов, сварных соединений на подкладных кольцах. Благодаря возможности проведения анализа этих данных на разных уровнях чувствительности, трехмерной форме представления информации о дефектах, реализации методов TOFD, SuperSAFT, обзору всего поля дефектов, удалось решить много принципиально новых задач, касающихся, например, внутритрубной диагностики магистральных нефтепроводов. Пока внутритрубная диагностика имеет реальные успехи только в профилометрии, в обнаружении аномалий геометрии трубопровода, в определении потерь металла коррозионного происхождения.

ИЭС им. Е.О. Патона и ЦТД «Диаскан» (Россия) применили экспертный УЗК для определения типа и точных размеров аномалий, обнаруженных внутритрубными снарядами. Для этого в зонах аномалий, зафиксированных снарядом, вскрывается трубопровод, очищается от изоляции и по поверхности металла выполняется УЗК с помощью компьютеризированного дефектоскопа P-scan. Так, в 1998 г. УЗК производили в 18 шурфах нефтепровода «Дружба» диаметром 1020... 1220 мм и толщиной стенки трубы 12 мм, в которых магнитный снаряд компании «British Gas» обнаружил 29 дефектов размером от 40 до 90 % толщины стенки трубы.

Для определения типа и высоты дефектов использовали метод дифрагированных волн TOFD и метод синтезированной фокусирующей апертуры SuperSAFT.

По результатам УЗК все исследованные швы были разбиты на четыре группы в зависимости от степени опасности и срочности ремонта.

В первую группу вошло четыре сварных шва, для которых требовался срочный ремонт. Эти швы имели плоскостные дефекты высотой более 5 мм. Три других сварных шва были отнесены ко второй группе и отремонтированы во вторую очередь. В третью группу зачислили четыре сварных шва с незначительными по высоте и длине дефектами, за которыми в настоящее время ведется наблюдение. В четвертую группу вошло семь ложно забракованных снарядом сварных швов, в которых дефекты ни одним из указанных методов УЗК не были подтверждены.

Было установлено, что ложные индикации магнитного снаряда вызваны различными отклонениями формы сварного шва (смещения кромок, разнотолщинность и овальность труб, утяжины и т. п.). Сравнительный анализ показал, что совпадение данных УЗК с дефектами, обнаруженными магнитным снарядом, составляет 75 %. Металлографические исследования подтвердили результаты УЗК, причем погрешность определения высоты дефектов не превышала ±1 мм.

Таким образом, показана возможность достаточно точного измерения размеров, типа и высоты дефектов в сварных швах магистральных трубопроводов после диагностирования их магнитным снарядом.

В таблице указано еще 10 работ по УЗК ответственных объектов, выполненных с использованием компьютеризированного УЗ дефектоскопа. В каждой из них получены неординарные результаты, что невозможно с помощью применения традиционных методик и средств УЗК.

На рис. 1 приведена распечатка результатов контроля сварного соединения элемента станины толщиной 8 мм на участке длиной 125 мм, где отчетливо видно, что часть отражателей являются дефектами шва и лежат в его центральной части. По глубине они располагаются в средней и нижней части сечения шва. Другая часть отражения вызвана дефектами основного металла. Они располагаются вне зоны шва и примерно параллельно его центральной линии. По сечению металла эти отражатели находятся ближе к внешней поверхности.

Примером изображения результатов контроля толщины является карта коррозионного разрушения оболочки подземного резервуара (рис. 2, а), на которой, видны характер разрушений, наличие отдельных язв, их размер и ориентация. Профиль сечения участка с наиболее интенсивными разрушениями позволяет оценить остаточную толщину в отдельных точках оболочки резервуара и указать места, где наиболее вероятно образование сквозного дефекта.

Аналогичный вид представления данных используется при экспертном заключении о характере дефектов с целью исключения ошибочной интерпретации отражений от расслоений металла как признака язвенной коррозии.

На рис. 2, б приведена распечатка результатов контроля толщины трубного металла на воздушном переходе газопровода Дашава-Киев, который, согласно заключению многих дефектоскопистов, был признан аварийным. Отражения от ближайших раскатанных включений и расслоений рассматривались, как глубокое коррозионное поражение изнутри. Однако на распечатке (рис. 2, б) видно, что все отражатели лежат только в средней части сечения металла, их отражающая поверхность плоская, что характерно для расслоений, а не для коррозионных язв. Различия в характере отражателей для участков с коррозионным разрушением и расслоениями хорошо видны на графиках распределения толщины (рис. 3).

В случае коррозионного разрушения график распределения толщин характеризуется плавной кривой, свидетельствующей о наличии отражателей во всем диапазоне толщин (рис. 3, а). При расслоениях подобный график имеет два четко выраженных пика (рис. 3, б): один соответствует номинальной толщине металла, другой — глубине расположения расслоения. Таким образом, ранее принятое решение об остановке газопровода оказалось ложным.

Трехмерная форма представления информации о дефектах (см. рис. 1) позволяет в ряде случаев избежать грубых ошибок в оценке дефектности объекта. Например, при контроле сварного шва на подкладном кольце регистрируются сигналы, вызванные отражениями от кромок подкладного кольца, которые могут иметь значительную амплитуду и ошибочно интерпретированы как недопустимый дефект. На распечатке зафиксирована цепочка дефектов, лежащих вдоль границы сварного соединения. Видно, что эти отражатели смещены от центральной линии шва и лежат как бы выше внутренней поверхности трубы. Такая картина характерна для сигналов от кромки подкладного кольца, поскольку в этом случае акустическая волна распространяется дальше не только в металле сварного соединения, но и в металле кольца. В то же время отражатель, который лежит на центральной линии шва, является дефектом корневой части, и только он принимается во внимание при оценке качества соединений.

Известно, что в ряде случаев по амплитуде эхо-сигналов нельзя однозначно оценить размеры дефекта. Особенно часто это бывает при обнаружении протяженных дефектов малой высоты или округлых, которые имеют малую отражающую способность. На рис. 4 приведена распечатка результатов, полученных при обследовании участка трубы коллектора пароохладителя с внутренним коррозионным разрушением в виде мелких дефектов, расположенных на разной высоте. В данном случае поверхность металла на стенках коррозионного рыхлого дефекта имела нерегулярную структуру, вызывающую сильное диффузионное рассеяние звуковой энергии. Поэтому амплитуды эхо-сигналов от дефектов имели малое значение, а дефект по обычной технологии УЗК классифицировался как допустимый, хотя фактически общая степень разрыхления металла была значительной.

При экспертной оценке подобных картин принимаются во внимание не только амплитуды эхо-сигналов, но и характер распределения дефектов в металле трубы. Из распечатки видно, что отражатели не лежат в одной плоскости, что было бы характерно в случае слабой питтинговой коррозии, снятой на другом участке (рис. 5), а занимают довольно широкую зону (см. рис. 4) по сечению стенки. Самые сильные отражатели лежат на небольшой глубине. Все это свидетельствует о наличии дефектной зоны, у которой в разных точках поверхности коррозия протекает с различной скоростью, что бывает, например, при кавитационном разрушении.

Таким образом, использование наряду с амплитудными признаками дефектов информации о местоположении всех отражателей позволяет дать более правильную оценку состояния металла объекта исследуемой зоны. По обычной технологии УЗК труба с мелкими дефектами считалась годной, а после получении картин, приведенных на рис. 4 и 5, ее сняли с эксплуатации.

За счет обработки значительного объема информации компьютеризированные системы обеспечивают более достоверную оценку дефектности объекта по сравнению с обычными средствами контроля. Информация о местоположении, размерах и типах большого количества мелких дефектов позволяет использовать опыт квалифицированных специалистов-экспертов для оценки состояния ответственных объектов.

С распространением компьютерных систем УЗК должны быть пересмотрены действующие нормы на УЗК, ориентированные только на амплитудные признаки дефектов. В будущие нормы, кроме них, будут входить статистические оценки, а также признаки взаимного расположения дефектов, плотности распределения мелких отражателей.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: