Неразрушающий анализ соединений


Основы неразрушающего тестирования сварных соединений 
Перепечатано с разрешения журнала Welding Journal


Знание преимуществ и недостатков различных видов неразрушающего тестирования поможет Вам выбрать оптимальный метод для собственных задач.

Главное требование к производству сварных узлов и металлоконструкций — это высокое качество. Однако термин «качественная сварка» весьма относителен. То, насколько она приемлема, зависит от поставленной задачи. Как правило, сварной шов считается качественным, если он имеет достаточно хороший внешний вид и способен неограниченное время выполнять свою задачу. Первый этап обеспечения должного качества сварки — это составление эксплуатационных требований. На их основе разрабатывается стандарт.

Стандарты качества сварки для разных задач могут различаться, поэтому для обеспечения высокого качества важно использовать подходящий. Независимо от стандарта качества все сварные соединения должны проходить ту или иную проверку, даже если она ограничивается визуальным осмотром после каждого прохода. Хороший внешний вид шва часто считают достаточным доказательством высокого качества соединения. Но по одному внешнему виду нельзя сделать надежную оценку правильности техники сварки и качестве внутренней структуры шва.

Неразрушающее тестирование поверхности и внутреннего материала наплавленного и прилегающего основного металла позволяет надежно проверять соответствие стандартам качества на постоянной основе. Для анализа сварных соединений обычно используется пять типов исследований: визуальное, проникающей жидкостью, магнитным порошком, ультразвуковое и рентгенографическое. Распространение компьютерных технологий позволило усовершенствовать некоторые из этих методов, например, улучшить качество изображения, сделать возможным анализ в реальном или почти реальном времени, проводить сравнения и архивирование данных. Для того, чтобы выбрать подходящий метод, нужно знать их достоинства и недостатки.


Визуальный осмотр
Визуальный осмотр обычно дешевле всего, но его нужно проводить до, во время и после сварки. Многие стандарты требуют проводить визуальный осмотр до применения других методов, потому что нет смысла отправлять очевидно некачественное соединение на более совершенный анализ. Кодекс конструкционной сварки — Сталь от ANSI/AWS D1.1  гласит: «Соединения, подлежащие неразрушающему тестированию, сначала должны пройти визуальный осмотр». Для визуальной инспекции требуется совсем немного инструментов. Кроме хорошего зрения и достаточного освещения Вам понадобится складная линейка, шаблон размеров шва, лупа и, возможно, уровень для определения прямоты, параллельности и перпендикулярности поверхностей.

До первого поджига дуги нужно осмотреть материал и убедиться в соответствии спецификациям по качеству, типу, размеру, чистоте и отсутствию дефектов. С поверхности нужно удалить смазку, краску, слой оксида и окалину. Убедитесь в ровности, прямоте и размерности соединяемых деталей. Также убедитесь в подгонке и подготовке соединений. Наконец, проверьте все переменные сварочной процедуры — диаметр и тип сварочных материалов, настройки оборудования и требования к подогреву до и после сварки. Эти меры предосторожности распространяются на все методы тестирования.

В условиях производства визуальный осмотр сварных соединений и кратеров в конце швов позволит обнаруживать трещины, недостаточную глубину проплавления, включения газа или шлака, пористость и подрезы.

При несложной сварке можно ограничиться осмотрами в начале работ и периодически после этого. Однако при многопроходной сварке желательно осматривать каждый новый слой металла. Самое большое значение для качества соединения имеет корневой проход. Он особенно подвержен растрескиванию и из-за быстрого застывания может содержать включения газа и шлака. При последующих проходах дефекты сварного шва или соединения могут привести к еще более выраженному растрескиванию, подрезам и включениям шлака. Поэтому своевременное визуальное обнаружение дефекта поможет сократить затраты на ремонт.

Визуальный осмотр на ранних этапах производства также позволит избежать наложения шва недостаточного или избыточного сечения. Швы с сечением меньше, чем требуется в спецификации, недопустимы. Швы с избыточным сечением приводят к неоправданному увеличению себестоимости и могут вызвать деформации из-за дополнительного усадочного напряжения.

Визуальный осмотр после сварки позволит выявить различные дефекты поверхности, в том числе трещины, пористость и незаполненные кратеры, не полагаясь на более сложные методы тестирования. Вы также можете оценить разброс размеров, искривления и другие внешние недостатки, а также размерность шва.

Перед проведением осмотра шов следует очистить от шлака. Для этого не рекомендуется дробеструйная очистка, так как эффект проковки может скрыть мелкие трещины. Кодекс конструкционной сварки AWS D1.1 не разрешает проводить проковку «корневого или облицовочного прохода или основного металла вдоль соединения».

Но визуальный осмотр позволяет обнаруживать дефекты только на поверхности металла при том, что спецификация или местные кодексы также могут требовать проводить анализ внутренней структуры наплавленного или прилегающего основного металла. Неразрушающие испытания могут определить наличие того или иного дефекта, но они не дают никакой информации об эксплуатационной пригодности изделия. Для этого нужно проводить корреляцию между дефектами и их влиянием на эксплуатационную пригодность или проводить разрушающее тестирование.


Радиографическая инспекция
Радиография — это один из самых авторитетных, универсальных и распространенных методов неразрушающего тестирования — см. Рис. 1. Рентгенографическое исследование позволяет точно убедиться в отсутствии внутренних дефектов в наплавленном металле. Поэтому, когда говорят о высоком качестве соединений, часто используют фразу «отсутствие дефектов при контроле рентгеновским излучением».


Принципы неразрушающего тестирования 


Радиографическое исследование основано на способности рентгеновских и гамма-лучей проникать сквозь металл и другие непрозрачные для обычного света материалы и формировать фотоизображение. Все материалы поглощают определенную часть этой энергии, поэтому рентгеновское и гамма-излучение может показывать неоднородности и включения в непрозрачном материале. Снимок внутренней структуры шва дает всю необходимую информацию для подтверждения его надежности.

В рентгенографии используются генераторы высоковольтного тока. При увеличении напряжения подаваемого на рентгеновскую трубку тока уменьшается длина волны рентгеновского излучения, из-за чего увеличивается его проникающая способность. Гамма-лучи образуются при распаде атомов радиоизотопов. Для промышленной рентгенографии чаще всего используются радиоактивные изотопы кобальт 60 и иридий 192. Излучаемые этими изотопами гамма-лучи аналогичны рентгеновским, за исключением меньшей длины волны. Это позволяет им проникать на большую глубину по сравнению с рентгеновскими лучами такой же интенсивности, однако время облучения в этом случае оказывается значительно больше.

Когда рентгеновские или гамма-лучи направляют на сварное соединение, они проникают сквозь металл не полностью. Материалы с различной плотностью, толщиной и атомными номерами поглощают лучистую энергию с разной длиной волны.

Степень поглощения этой энергии различными материалами влияет на интенсивность лучей, которые смогут проникнуть сквозь материал. Анализ этих расхождений позволит заглянуть внутрь материала. Изображение на проявленной фоточувствительной пленке называется радиографией. Участки образца с большей толщиной или плотностью (включения вольфрама) поглощают больше радиации и соответствующие области на радиографии получатся светлее — см. Рис. 2.

Независимо от того, как проводится радиография, ее надежность и значимость зависят от четкости и контрастности изображения. Способность наблюдателя обнаружить дефект зависит от его четкости и контрастности с фоном. Чтобы быть уверенным, что радиографическое исследование даст приемлемые результаты, на деталь помещают так называемый индикатор качества изображения.

Индикаторы качества также называют эталонами чувствительности радиографического изображения. Стандартный пластинчатый эталон чувствительности представляет собой прямоугольный кусок металла с тремя просверленными отверстиями известного диаметра. Толщина эталона пропорциональна толщине исследуемой детали. Диаметр каждого отверстия различается и кратен толщине эталона. Также широко применяются проволочные эталоны. Они представляют собой несколько отрезков проволоки разного диаметра. Чувствительность исследования определяется по диаметру самой тонкой проволоки, которую можно рассмотреть на радиографии.

Индикатор чувствительности нельзя использовать как масштаб для определения размера дефекта или минимального размера обнаруживаемых дефектов. Он лишь показывает, насколько точен используемый процесс радиографии.

Результаты радиографии бывает трудно интерпретировать. Выявление дефектов может быть затруднено из-за пятен и полос от контакта с пленкой или мутности из-за неправильной проявки. Такие искажения могут скрыть реальные дефекты в металле.

Также нужно учитывать, что на пленке будут видны дефекты на поверхности металла. Из-за того, что радиография зависит от угла облучения, этот метод нельзя или очень сложно использовать для анализа угловых швов. Из-за того, что при радиографии дефекты по всей толщине соединения изображаются на одной плоскости, она преувеличивает рассеянные дефекты, например, пористость и включения.

Традиционно рентгеновские снимки сварного соединения просматривали на флуоресцентном экране или проявленной пленке. Такой процесс экономичен и требует немного времени, но при этом ухудшается разрешение снимка. Распространение компьютеров позволило устранить многие недостатки радиографической дефектоскопии за счет подключения флуоресцентного экрана к видеокамере. Вместо того, чтобы дожидаться проявления пленки, теперь изображения можно просматривать в реальном времени. Это помогает значительно повысить качество и сократить затраты, например, при сварке труб, где очень важно вовремя выявлять потенциальные проблемы.

Оцифровка изображения и загрузка на компьютер позволяют обрабатывать и анализировать снимки с ранее недостижимой точностью. Также можно накладывать друг на друга несколько снимков. Тон и контрастность пикселов можно отредактировать так, чтобы выявить небольшие дефекты и полости, которые были бы не видны на пленке. Различным оттенкам серого можно присваивать цвета, что помогает улучшить качество изображения и выделить дефекты. Процесс оцифровки изображения на флуоресцентном экране с последующей обработкой и отправкой на монитор оператора занимает считанные секунды. Однако из-за этой задержки это уже нельзя назвать процессом в реальном времени. Этот метод называется радиоскопией.

Уже имеющуюся проявленную пленку также можно оцифровать и усовершенствовать процесс анализа. Еще одно преимущество — это способность архивирования изображений на оптические диски, которые занимают намного меньше места по сравнению со старыми хранилищами пленок и позволяют намного быстрее находить нужные записи.

Таким образом, промышленная радиография — это метод анализа с применением рентгеновских и гамма-лучей и плотной пленки с целью получения фотоснимка внутренней структуры сварного соединения. Как правило, дефекты сварного соединения представляют собой пустоты или включения в наплавленном металле, которые сильно отличаются по плотности от окружающего металла.

Радиографическое оборудование испускает излучение, которое может быть вредным для тканей тела, поэтому во время работы соблюдайте все необходимые меры предосторожности. Чтобы обеспечить высокую точность анализа, следуйте всем инструкциям. К проведению радиографического анализа допускаются только те сотрудники, которые прошли обучение по радиационной безопасности и имеют квалификацию промышленного рентгенотехника.


Магнитопорошковая дефектоскопия
Магнитопорошковая дефектоскопия — это метод обнаружения и уточнения неоднородностей в магнитных материалах. Он хорошо подходит для выявления наружных дефектов сварных соединений, в том числе слишком маленьких для того, чтобы увидеть их невооруженным взглядом, а также дефектов неглубоко под поверхностью.

Этот метод можно использовать для проверки кромок листов перед сваркой, для проверки каждого прохода, а также итоговой проверки сварки и
восстановления — Рис. 3.

Этот метод рекомендуется для выявления поверхностных трещин любых размеров в наплавленном и прилегающем основном металле, трещин под поверхностью, недостаточного сплавления, подрезов и недостаточной глубины проплавления, а также дефектов на восстановленных кромках основного металла. Хотя магнитопорошковая дефектоскопия не может заменить радиографию или ультразвуковое исследование дефектов в глубине материала, она оказывается более точной при выявлении узких трещин и поверхностных дефектов.

Для этого с каждой стороны исследуемой области располагают датчики и пропускают через рабочее изделие между ними ток большой величины. Под прямым углом к линии тока образуются силовые потоки — Рис. 3. Когда эти потоки встречают на своем пути неоднородность, например, продольную трещину, они отклоняются и выходят из поверхности, создавая магнитные полюса или точки притяжения. В этих местах нанесенный магнитный порошок пристает к поверхности более плотно, что указывает на дефект.

Для этого дефект должен находиться под углом к магнитным силовым линиям. Поэтому, если ток проходит по изделию в продольном направлении, то будут выявлены только продольные дефекты. Если поместить изделие в соленоид, то катушка образует продольные силовые линии (Рис. 3) с таким расположением, которое позволит выявить поперечные и наклонные трещины.

Хотя магнитопорошковый метод намного проще радиографического, он пригоден только для анализа ферромагнитных сталей — но не аустенитных. Соединение между основным и наплавленным металлом с разными магнитными характеристиками может привести к появлению магнитных неоднородностей, которые можно ошибочно интерпретировать как дефект. Более того, на участках, где порошок указывает на безобидную магнитную неоднородность, может оказаться скрыт реальный дефект. Этот метод менее надежен в случае небольших дефектов и округлых трещин, например, газовых пор. Лучше всего он подходит для вытянутых образований, таких как трещины, и пригоден только для поверхностных и неглубоких дефектов, обычно в тонких материалах.

Так как магнитное поле должно быть искажено достаточно сильно, чтобы выйти из поверхности, параллельные магнитному полю тонкие удлиненные дефекты, например, микротрещины, швы и включения, выявлены не будут. Для их обнаружения нужно изменить направление поля, поэтому во время анализа рекомендуется создавать поле по двум разным направлениям, по возможности под прямым углом друг к другу.

Магнитный порошок может быть сухим или влажным. Сухой порошок обычно используется для анализа швов большого сечения, влажный — для анализа авиационных деталей. Сухой порошок равномерно наносится по всему изделию с помощью напылителя, пылевого мешка или пульверизатора. Эти мелкие магнитные частицы имеют особое покрытие, которое делает их более подвижными и придает им серую, черную или красную окраску для более удобной идентификации. Влажная смесь представляет собой взвесь мельчайших красных или черных частиц в воде или легких нефтяных дистиллятах. Ее можно налить или разбрызгать на деталь или погрузить деталь в жидкость. Влажный порошок имеет большую чувствительность по сравнению с сухим, потому что в нем используются более мелкие частицы, способные выявить мельчайшие дефекты. Чтобы еще больше увеличить чувствительность, можно использовать флуоресцентные порошки, которые оказываются особенно полезны для обнаружения неоднородностей в углах, пазах, шлицах и глубоких выемках.


Дефектоскопия методом проникающей жидкости
Не видимые глазу поверхностные трещины и точечные дефекты можно обнаружить с помощью метода проникающей жидкости. Он широко применяется для обнаружения отверстий в наплавленном металле и пригоден для анализа стали с аустенитной структурой и цветных материалов, несовместимых с магнитопорошковой дефектоскопией.

Дефектоскопию методом проникающей жидкости часто относят к визуальному осмотру. Во многих стандартах, например, кодексе AWS D.1, сказано, что «при тестировании соединений методом проникающей жидкости следует руководствоваться требованиями к визуальному осмотру».

Для этого используется два вида проникающих жидкостей — флуоресцентная и видимый краситель. В первом случае на поверхность детали наносится флуоресцентная жидкость с хорошими проникающими способностями. После того, как капиллярный эффект затянет жидкость в отверстия, с поверхности удаляются ее излишки. Затем на поверхность наносят «проявитель», который вытягивает проникающую жидкость к поверхности, после чего деталь осматривают под ультрафиолетовым (невидимым) светом. Высокий контраст между флуоресцентным материалом и объектом позволяет заметить даже мельчайшие следы проникающей жидкости, которые указывают на поверхностные дефекты.

Анализ с видимым красителем проходит аналогичным образом, но в этом случае краситель виден под обычным светом — См. Рис. 4. Обычно для повышения контрастности красители используют с белым проявителем. Это делает процесс более удобным благодаря отсутствию необходимости в ультрафиолетовом свете.

Исследуемая деталь должна быть чистой и сухой, так как любые посторонние частицы могут скрыть трещины или точечные дефекты и вытеснить краситель. Краситель может наноситься погружением детали, разбрызгиванием или кистью, но в любом случае нужно дать достаточно времени на впитывание красителя. Это означает более часа кропотливой работы.

Дефектоскопия методом проникающей жидкости получила широкое распространение для выявления утечек. Чаще всего процедура включает нанесение флуоресцентного вещества на одну сторону соединения, ожидание капиллярного эффекта в течение определенного времени и затем осмотр другой стороны при ультрафиолетовом свете. Этот метод позволяет находить точки протечек в тонкостенных сосудах, которые невозможно выявить в ходе обычных испытаний на герметичность с давлением воздуха 0,34-1,38 атм. Однако при большой толщине стенок его преимущества не столь очевидны.


Ультразвуковая дефектоскопия
Ультразвуковое исследование предполагает поиск неоднородностей с помощью высокочастотного звукового пучка, направленного сквозь металл. Если звуковой пучок попадает на неоднородный участок, часть звука отразится обратно. Этот отзвук регистрируется, усиливается и отображается на видеоэкране — см. Рис. 5.

 

Принципы неразрушающего тестирования 


Ультразвуковое исследование позволяет обнаруживать и измерять дефекты как на поверхности, так и в глубине материала, в том числе дефекты, которые невозможно обнаружить другими методами.

Ультразвуковая установка содержит передатчик с кристаллом кварца или другого пьезоэлектрического материала внутри. Под напряжением кристалл начинает вибрировать. Когда передатчик прижимают к рабочей поверхности, он сообщает эти механические колебания металлу. Эти вибрационные волны распространяются по материалу, пока они не достигнут участка с другой плотностью. В этом случае часть энергии вибрации отразится назад. Ток, генерирующий вибрацию, включается и выключается по 60-1000 раз в секунду, поэтому в периоды покоя кристалл служит в качестве приемника отраженных волн. При воздействии на кристалл они генерируют электрический ток. На экране этот ток представлен в виде вертикальных отклонений горизонтальной основной линии. Получающийся график представляет отраженный сигнал и неоднородность в материале. Для проведения анализа в монтажных условиях, например, при строительстве мостов и возведении металлоконструкций, доступно компактное мобильное ультразвуковое оборудование.

По сравнению с другими методами неразрушающего тестирования ультразвуковое исследование плохо подходит для выявления пористости в наплавленном металле, потому что круглые газовые поры воспринимаются ультразвуком как одноточечные отражатели. Это приводит к низкоамплитудным откликам, которые легко перепутать с «флуктуационным шумом». Однако сильной стороной этого метода является поиск плоских неоднородностей и расслоения.

Портативное ультразвуковое оборудование может иметь цифровое и микропроцессорное управление. Такие модели имеют встроенную память, возможность распечатки, видеомониторинга и сохранения данных. Их можно подключать к компьютерам, что позволяет проводить более подробный анализ, заносить в архивы и составлять документацию — точно так же, как радиографические данные. Для того, чтобы правильно истолковать результаты ультразвукового исследования, требуется высокая квалификация оператора.


Методы контроля качества
Хорошо отлаженная программа неразрушающего тестирования должна учитывать ограничения каждого метода. Например, радиография и ультразвуковое исследование имеют определенные ограничения по ориентации дефектов и это нужно учитывать при выборе метода тестирования. Характерные преимущества каждого из этих методов восполняют недостатки другого. В то время как радиография не может надежно выявлять расслаивание, ультразвук для этого подходит гораздо лучше. С другой стороны, ультразвук плохо подходит для обнаружения пористости, в отличие от радиографии.

Независимо от выбранного метода для того, чтобы сократить зависимость от такого тестирования, нужно соблюдать несколько простых правил. В таком случае неразрушающее тестирование будет лишь дополнительной проверкой параметров и качества сварки.


Эти правила таковы:
1. Выбор процесса — процесс должен подходить для соответствующей задачи.
2. Подготовка — должна быть правильно выполнена подгонка соединения, а его тип должен подходить для выбранного процесса сварки.
3. Процедуры — сварщик должен иметь и точно соблюдать подробную процедуру сварки.
4. Предварительное тестирование — для того, чтобы убедиться в должном уровне качества процесса и процедуры сварки, нужно использовать полномасштабные модели или имитации образцов.
5. Персонал — работу должны выполнять квалифицированные люди.