Ультразвуковая дефектоскопия сварных швов: Ультразвуковая дефектоскопия (УЗК, УЗД)

Ультразвуковой контроль сварных швов | Айронкон-Лаб

Чтобы обеспечить безопасность эксплуатации объектов со сварными соединениями, швы, независимо от того, как давно они были сделаны, необходимо подвергать регулярной проверке. Дефектоскопия сварных соединений проводится разными методами. Универсальный способ проверки – ультразвуковой контроль. Метод был открыт в 1930 году, и сейчас используется повсеместно. Эффективность уУЗК обуславливается тем, что диагностика способна выявлять даже небольшие дефекты, которые со временем приводят к утрате прочности и разрушению конструкции.

Преимущества и недостатки УЗК

К основным преимуществам ультразвуковой диагностики относят:

• Высокую точность и скорость в сочетании с доступной ценой.
• Абсолютную безопасность. УЗК – это неразрушающий метод контроля. Он не наносит вреда конструкции и здоровью людей, которые присутствуют при проведении процедуры.
• Возможность выполнения в полевых условиях. Для этого используют специальные портативные УЗ-дефектоскопы.
• Простоту выполнения. Применение метода не требует выведения объекта из эксплуатации.

Но не существует совершенных методов диагностики. УЗК тоже обладает рядом недостатков:

• Ограниченность полученных о дефекте сведений: невозможно определить точную форму трещины из-за наличия воздуха или шлака, а также однозначно идентифицировать характер шлаковых включений.
• При использовании УЗК сложно проверить металлы с крупнозернистой структурой из-за сильного рассеивания и затухания ультразвука.
• Необходимость подготовки к диагностике: важно очистить поверхность шва от загрязнений и ржавчины.

Суть ультразвуковой дефектоскопии

Ухо человека не воспринимает ультразвуковую волну, тем не менее, она – основа многих диагностических методик. Способность УЗ-волн отражаться и проникать применяется в различных отраслях, в т.ч. и в медицине. Этот способ важен для сфер, где главное требование – не нанести вред объекту, который исследуется.

Ультразвуковая дефектоскопия – это неразрушающий метод контроля и определения мест, где локализуются дефекты различного характера. Качество проведения процедуры зависит от ряда факторов. Это корректность настройки и калибровки аппарата, чувствительность приборов, опыт оператора. Поэтому выполнять ультразвуковую дефектоскопию должны профессионалы.

Данным способом диагностируют разные сварные соединения. С помощью УЗК можно выявить химически неоднородный состав материала (например, наличие шлаковых вложений в металле, присутствие неметаллических элементов), воздушные пустоты, скрытые и внутренние механические дефекты.

Учтите, что объект будет допущен к эксплуатации только после определения качества соединений и ликвидации даже малейших дефектов.

Ультразвуковой контроль сварных соединений – это метод, основанный на способности колебаний высокой частоты (примерно 20 000 Гц) проникать в структуру металла, отражаться от поверхности неровностей, пустот, царапин. Волна, которая проникает в сварной шов, при обнаружении дефекта отклоняется от стандартного распространения. Это отклонение отражается на мониторах приборов.

По конкретным параметрам опытный оператор характеризует обнаруженный дефект. Например, расстояние до него рассчитывается по времени распространения волны, а размер дефекта – по амплитуде импульса отражения.

Ультразвуковой контроль: виды

УЗК бывает нескольких видов. К главным методам ультразвукового контроля относят:

• Теневой. Способ основан на применении двух преобразователей. Их устанавливают по разным сторонам объекта. Первый преобразователь – излучатель. Второй – приемник. Устанавливают их строго перпендикулярно сварному шву. Поток УЗ-волн из излучателя направляется на шов, с другой стороны их принимает приемник. Если в этом потоке возникает глухая зона, значит, не пути волн присутствует участок с дефектом.
• Эхо-импульсный. Применяется УЗ-дефектоскоп, который и излучает, и принимает волны. Метод основан на технологии отражения ультразвука от поверхности участков с дефектом. То есть если волны проходят сквозь металл и не отражаются на приемнике, дефекты отсутствуют. Если отражаются, значит, изъян есть.
• Эхо-зеркальный. Метод ультразвукового контроля, имеющий сходство с вышеописанным. Применяются два прибора: приемник и излучатель, только устанавливают их с одной стороны объекта. Волны под углом исходят из излучателя, а при попадании на дефекты – отражаются. Отраженные волны принимает приемник. Таким образом часто выявляют вертикальные дефекты – трещины.
• Зеркально-теневой. Представляет собой комбинацию зеркального и теневого методов. Излучатель и приемник ставят с одной стороны от объекта. Из излучателя исходят косые волны, которые отражают стенки металла, а затем их принимает приемник. Если на пути отраженных УЗ-волн не было дефектов, то изменения не зарегистрируются. Если же отразится глухая зона, нужно искать изъян.
• Дельта-способ. УЗК такого плана используется редко, так как требует тонкой калибровки оборудования и сложной расшифровки результатов. В основе метода – переизлучение дефектом направленных акустических волн внутрь шва. То есть отраженные волны разделяются на зеркальные, которые трансформируются продольно, и переизлучаемые. Приемник улавливает не все волны, практически только те, которые отражены или движутся прямо на него. От того, сколько волн получено, зависит конфигурация и размер дефекта.

При диагностике поперечных и продольных швов эксперты чаще применяют теневой, эхо-импульсный методы. В основном, такими способами проводится контроль сварных соединений трубопроводов. Остальные методы применяют намного реже, в зависимости от ситуации.

Оборудование УЗК: принцип работы

Приборы, которыми проводится ультразвуковой контроль труб и металлоконструкций, работают по схожему принципу. Главный рабочий элемент – пластина пьезодатчика, выполненная из титанита бария или кварца. Пьезодатчик находится в щупе – его располагают вдоль соединений и плавно перемещают возвратно-поступательными движениями. Пока происходит перемещение щупа, к пластине поступает высокочастотный ток, из-за этого она и излучает перпендикулярно своей длине ультразвуковые колебания.

Отраженные волны принимает такая же пластина с принимающим щупом. Она преобразует колебания в переменный ток, который сразу отклоняет волну на мониторе осциллографа. В итоге возникает промежуточный пик. При УЗ-диагностике датчик посылает короткие переменные импульсы упругих колебаний с разной длительностью, которые разделяются паузами. За счет этого определяется присутствие и глубина залегания дефекта.

Как проводится ультразвуковой контроль

Процедура выполняется в несколько этапов, а именно:

1. Удаление краски, ржавчины со швов и с двух сторон от сварных соединений на расстоянии 5-10 см (точные размеры околошовной зоны регламентируются технологической документацией на объект контроля по ГОСТ Р 55724-2013).
2. Обработка поверхности металла около шва и самого шва машинным, турбинным маслом, глицерином, солидолом или силиконовым гелем с ингибиторами коррозии. Поверхность обрабатывают маслом, чтобы создать контактную зону между датчиком и поверхностью объекта контроля и улучшить проникновение УЗ-колебаний.
3. Настройка прибора с калибровкой. Настраивается толщина, АРД, AVG или DGS-диаграммы.
4. Перемещение щупа-искателя. Выполняется вдоль шва, зигзагообразно. При этом искатель поворачивают вокруг оси примерно на 10-15 градусов.
5. Как только на экране прибора появляется устойчивый сигнал, искатель разворачивают. Поиск проводят, пока на экране не возникнет сигнал с наибольшей амплитудой.
6. Уточняют, откуда возникло колебание, не связано ли оно с отражением волны от соединений, что случается при УЗК.
7. Если отражение возникло из-за дефекта, его фиксируют, при этом записывают координаты места локализации.

Результаты дефектоскопии заносят в таблицу. По ней, в дальнейшем, дефект можно выявить повторно, а затем устранить его. Проводят контроль по ГОСТу за один либо два прохода. Если для определения точного характера дефекта УЗК не хватает, дополнительно применяют гамма-дефектоскопию или рентгенодефектоскопию.

Какие дефекты выявляет ультразвуковая диагностика

С помощью ультразвукового контроля труб и конструкций определяют ряд разнообразных дефектов, например:

• трещины на околошовном участке;
• поры в соединениях;
• непровары;
• расслоение наплавленного металла;
• несплавления шва;
• свищеобразные изъяны;
• провисание металла, которое возникает на нижнем участке сварного соединения;
• коррозионные поражения;
• несоответствие материала по химическому составу;
• зоны с искаженными геометрическими размерами.

Провести диагностику можно в таких металлах, как медь, чугун, легированные и аустенитные стали. При этом существуют и определенные геометрические рамки для применения метода, в частности:

• Глубина залегания шва (max) – 10 метров;
• Глубина (min) – 3-4 мм.
• Толщина шва (min) – 8-10 мм.
• Толщина металла (max) – 500-800 мм.

С помощью ультразвукового контроля труб и конструкций проверяют швы разного типа: продольные, плоские, кольцевые, тавровые, а также сварные стыки.

Сфера применения УЗК

Данный метод контроля применяют в промышленной отрасли, а также при реконструкции и строительстве домов. Часто УЗК используют:

• При аналитической диагностике агрегатов, узлов.
• Для определения износа труб в магистральном трубопроводе.
• В атомной или тепловой энергетике.
• В сфере машиностроения, нефтегазовой, химической отрасли.
• При проверке сварных швов конструкций со сложной конфигурацией.
• При диагностике соединений металлов, имеющих крупнозернистую структуру.
• При сварке соединений узлов и котлов оборудования, которые находятся под воздействием давления, высокой температуры, агрессивной среды.

Методика применяется и в полевых, и в лабораторных условиях.

Проверенный на дефекты шов – это гарантия того, что конструкция безопасна для эксплуатации, надежна и может использоваться по назначению. Без проведения контроля на соответствие нормативам, ввод сооружения в эксплуатацию невозможен. Аккредитованная строительная лаборатория IRONCON готова провести УЗ-диагностику сварных соединений на объекте заказчика в полном соответствии с действующими нормами контроля.

УЗК-контроль сварных швов. Рассматриваем во всех подробностях

В отраслях машиностроения, строительства и других разделах промышленности без сварочных процессов не обойтись. Сварка, как элемент прочного и надежного соединения деталей и узлов, занимает ведущее место в хозяйственной деятельности человека. Без нее невозможно благоустроить быт, проложить коммуникации, дать воду, газ. Главным условием длительной эксплуатации сварных элементов является качество сварки. Определить визуально это почти невозможно, но способ есть.

• Ультразвуковая дефектоскопия
• Узк-контроль и области его использования
• Положительные стороны узк-контроля
• Какие дефекты можно выявить, используя метод узк-диагностики?
• Услуги по узк-контролю сварных швов от компании «ДСН»

Ультразвуковая дефектоскопия

В начале 30-х годов прошлого века ученые разработали новый метод контроля сварных швов ультразвуком – ультразвуковая дефектоскопия. Он основан на свойстве высокочастотных колебаний проникать в структуру металлического изделия и отражаться от неровностей и пустот с разной звуковой проницаемостью. Эта особенность акустических волн положена в основу метода ультразвуковой дефектоскопии. Акустические волны представлены упругими колебаниями материальных частиц в диапазоне от 20 кГц до 500 мГц.

Технология проведения узк-контроля сварных швов заключается в следующем. Специальным устройством искусственно создается ультразвуковая волна, затем она направляется в точку исследования. Попадая в проверяемый шов она отражается. В случае неудовлетворительной сварки ультразвуковая волна преломляется и отклоняется от обычного вектора. Оператор узк-оборудования видит на мониторе отклонение и дает определение дефекту. Этот способ дефектоскопии получил название «узк метод неразрушающего контроля». Суть отражения, преломления волн и другой специфики разберет лишь оператор-дефектоскопист. Все измерения производятся согласно установленному ГОСТу.

Применять способ диагностики сварных швов ультразвуком можно для различных типов металлов:

• высоколегированные стали;
• чугун;
• алюминий, медь, бронза, латунь и другие сплавы;
• слабо проводящие ультразвук металлы.

Узк-контроль и области его использования

Узк-контроль металла применяется в большинстве областей промышленности и народного хозяйства. Незаменима дефектоскопия на объектах, связанных с повышенной опасностью: газопроводы, нефтепроводы, теплосети. Контроль и диагностика сварных соединений ультразвуком применяется:

• в энергетике;
• в химической и нефтегазовой отраслях;
• для определения износа труб в магистральных трубопроводных сетях;
• для обнаружения изъянов сварных швов в изделиях, подверженных воздействию повышенных температур и давления;
• в изделиях, эксплуатация которых проходит в активных средах.
• в гидравлических и водопроводных системах;
• узк-контроль деталей с нестандартной геометрической формой;
• в индивидуальных случаях при реконструкции зданий и помещений.

В большинстве отраслях машиностроения не обойтись без ультразвукового контроля узлов и агрегатов. Компактность оборудования позволяет проводить узк-контроль труб и других изделий в полевых условиях.

Положительные стороны узк-контроля

Работы по ультразвуковому контролю сварных швов имеют ряд преимуществ:

• высокая точность проверки качества швов за малый промежуток времени;
• диагностика в полевых условиях;
• при выполнении работ по узк-контролю изделие не подвергается деформации;
• при проведении диагностики не требуется выведение объекта из эксплуатации;
• работы безопасны для окружающих;
• приемлемая стоимость.

Положительным аспектом являются параметры проведения работ по ультразвуковому контролю. Оператор-дефектоскопист, используя специальное оборудование, осуществляет диагностику сварных швов изделия на глубине до 10 метров. Практика доказывает, что узк-контроль деталей может быть одинаково эффективен для проверки любых типов сварных соединений, имеющих толщину шва от 4 до 800 мм.

Какие дефекты можно выявить, используя метод узк-диагностики?

Основанный на методе ультразвуковой дефектоскопии, данный способ позволяет четко определить брак в сварном шве. Правильно проведенная диагностика места сварки дает полное представление о специфике дефекта. Специфическими задачами метода служит выявление следующих недостатков:

• определение трещин в зоне около сварных швов;
• выявление пор и зон объекта, пораженных коррозией;
• поиск участков сварного шва с дефектами;
• шовные расслоения металла;
• определение участков объекта с несоответствующим химическим составом, искаженным геометрическим размером;
• провисание наплавленного метала в нижней части шва.

Услуги по узк-контролю сварных швов от компании «ДСН»

Многие организации в целях экономии средств или своей некомпетентности обходят стороной работы по выполнению узк-контроля или обращают на него внимание непосредственно перед вводом промышленного объекта в эксплуатацию. Это приводит к дополнительным расходам, а иногда и к аварийным ситуациям и техногенным катастрофам в процессе использования. Для исключения подобных моментов важно вовремя проводить ультразвуковую дефектоскопию.

Узк-контроль сварных швов выполняется согласно ГОСТ 24507-80 и ГОСТ 21120-75. Компания «ДСН» предоставляет полный спектр услуг по ультразвуковой диагностике сварных швов с полной классификацией выявленных дефектов по типам и размерам. В список работ предприятия включена ультразвуковая толщинометрия, необходимая при экспертизе промышленной безопасности, главной задачей которой является распознавание соответствия толщины металла согласно входящим паспортным данным.

Цена услуг узк-контроля зависит от габаритных размеров и геометрии объекта, шероховатости, количества и других факторов. Менеджеры помогут рассчитать стоимость диагностики любого изделия, а специалисты компании «ДСН» выполнят работы по узк-контролю качественно и быстро в соответствии с требованиями и нормами.

Ультразвуковой контроль сварных соединений

Ультразвуковой контроль включает использование ультразвуковых волн для обнаружения дефектов внутри материала.

Сварные соединения могут иметь дефекты внутри сварных швов или вблизи зоны сварки.

Немногие из дефектов, которые часто встречаются в сварных швах, это пористость, Трещины, шлаковые включения, несплавление, непровар, корень вогнутость, кратерные трубы, острые подрезы, прожоги, трещины ЗТВ и гораздо более.

Эти дефекты, если они расположены глубоко и не могут быть просмотрены вручную, Для обнаружения этих разрывов используется ультразвуковое сканирование. обычный ультразвуковой метод контроля сварных соединений, который показан здесь полностью надежный оператор. Поэтому международные органы требует, чтобы оператор имел квалификацию в соответствии со стандартом, а машина используется также соответствует требованиям стандартов.

Где научиться неразрушающему контролю?

Сертификация может быть ASNT Level 1, Level II или Level III или PCN или ИСО 9квалификация 712. Есть много лучших учебных заведений по неразрушающему контролю. для сертификатов NDT, одним из них является AQC — Advanced Quality Center.

Как сканировать сварной шов?

Первоначально Выберите соответствующий датчик для сканирования сварных пластин или труб.

Выберите доступную высокую частоту (например, 4 МГц или 6 МГц) для проверки с высокой чувствительностью.

Обычно сканируется от половины расстояния до полутора расстояния, для полного сканирования толщины шва. Если не возможно, по крайней мере сканируйте от ½ до 1 расстояния, но сканируйте с обеих сторон пластины (Верх и низ).

Точное местоположение и глубину дефекта можно узнать во время выше метод сканирования. Но для оценки размера дефекта мы всегда нужен эталонный метод, такой как DAC-кривая амплитуды расстояния, DGS- Размер увеличения расстояния или любой другой.

Чтобы нарисовать кривую АРД, нам нужен эталонный блок с равной толщиной сварного шва. или мы также можем использовать эталонные блоки стандартного эквивалентного размера в качестве упомянутый ASME, раздел V, статья 4 (как показано здесь)

 

Как сканировать эталонный блок?

Чтобы установить эталонное усиление в децибелах (дБ), сначала установите диапазон развертки (например, диапазон = 3 ^rd длина участка).

Поместите угловой щуп в угол основного материала, чтобы получить отражение от задней стенки на его 3 ^rd длина опоры (отражение задней стенки будет от угла основания материал). Теперь, чтобы установить эталонное усиление, отрегулируйте эхосигнал от задней стенки до высота более 75 % от полной высоты экрана. Это усиление, дБ известный как эталонный дБ.

При использовании метода определения размера дефекта, такого как метод DAC. Усиление, установленное для построения кривой DAC, является эталонным дБ.

Теперь увеличьте 6 дБ и установите сканирование дБ. Начать сканирование сварного шва движение туда-сюда и зигзагообразными движениями. Если появляется какое-либо указание уменьшите усиление до эталонного дБ и оцените индикацию.

Для получения дополнительной информации и практических занятий по ультразвуковому контролю, неразрушающему контролю. курсы и сертификацию по неразрушающему контролю, свяжитесь с нами. Лучший тренинг по неразрушающему контролю институт в Тамилнаду и расположенный в Коимбатур. Нам доверяют Услуги ультразвукового контроля и неразрушающего контроля предоставляются в Южной Индии.

Посетите нас на https://aqcinspection.com/ или позвоните нам 0422-4342244, 9489342244. 

Оценка ультразвуковых методов обнаружения дефектов сварных швов мостов

Сварные швы между стальными пластинами являются важными компонентами стальных балок мостов. Они должны быть приварены и тщательно проверены, а для обеспечения целостности балки инспекторы используют методы неразрушающего контроля (NDE). Тем не менее, высокие уровни радиации, необходимые для исторического подхода, радиографического контроля, могут представлять угрозу безопасности и нарушение рабочего места для производителей. Ультразвуковой контроль представляет собой альтернативный метод неразрушающего контроля.

 

Сварные швы между стальными пластинами на балках моста имеют решающее значение для прочности и целостности моста. Достижения в области неразрушающих методов оценки, таких как ультразвуковой контроль, могут помочь как производителям, так и полевым инспекторам безопасно и точно выявлять и устранять дефекты.

 

Американская ассоциация государственных служащих автомобильных дорог и транспорта/Американское общество сварщиков (AWS) D1.5M/D1.5 Кодекс сварки мостов устанавливает правила контроля сварных швов, в том числе, какие методы неразрушающего контроля можно использовать, какие типы и размеры недостатки, которые необходимо исправить, и многое другое. Стальные мостовые балки состоят из сборных сборных стальных листов, сваренных вместе в производственных цехах. Для оценки возможных подповерхностных дефектов сварных швов используются два метода неразрушающего контроля: рентгенографический контроль и ультразвуковой контроль.

Зачем использовать ультразвуковой контроль?

Исторически производители использовали радиографические методы для контроля сварных швов. Эта технология восходит к 1930-м годам и со временем стала базовым подходом к проверке сварных швов мостов. В то время как в медицинской радиологии используется источник излучения с низкой дозой облучения для экспонирования пленки или цифровой пластины для получения изображения сломанной кости, сварные швы толстой стали требуют гораздо более высоких уровней энергии излучения и доз для проникновения в сварной шов и получения изображения. Эти высокие уровни излучения представляют собой проблему безопасности и производительности для производителей.

Методы ультразвукового контроля доступны с 1960-х годов; однако многие владельцы мостов пока не воспринимают их с уверенностью. В то время как ультразвуковые методы могут использоваться для некоторых менее критичных сварных швов, другие сварные швы по-прежнему требуют громоздкой и опасной радиографии. Сертифицированные инспекторы выполняют обычный ультразвуковой контроль, манипулируя ручным одноэлементным датчиком вокруг сварного шва, и используют свою подготовку и опыт для обнаружения и оценки любых дефектов сварки. Это может быть субъективный процесс, который различается у разных инспекторов, и это одна из причин, по которой владельцы мостов и органы, занимающиеся написанием кодов, не решаются полностью принять этот метод. Кроме того, владельцы мостов больше доверяют рентгенографии, поскольку они могут сами видеть изображения сварных швов, тогда как при обычном ультразвуковом контроле они получают только документированный отчет без изображений или других данных.

 

Рабочий проводит ультразвуковой контроль сварного шва в цехе по производству стали.

 

Подобно тому, как медицинская ультразвуковая визуализация развивалась с увеличением вычислительной мощности и получением изображений с более высоким разрешением, промышленные ультразвуковые технологии последовали за аналогичными улучшениями. Ультразвуковой контроль с фазированной решеткой (PAUT) использует массивы датчиков вместо одноэлементных датчиков и датчиков положения для захвата данных сканирования и создания изображений результатов контроля, аналогичных рентгенографическому изображению. Массив зондов создает веер звука, а не одиночный звуковой пучок, используемый при обычном ультразвуковом контроле. Это приводит к более продуктивному контролю, поскольку за один раз можно проверить больший объем сварного шва, а в сочетании с сохраненными данными сканирования и информацией кодировщика инспектор может создать изображение сканирования, что повышает уверенность в результатах контроля.

Последней разработкой в ​​тестировании PAUT является более продвинутый метод обработки изображений, называемый полноматричным захватом. Это новшество может использовать тот же базовый инструмент и датчик, но предлагает новые программные процессы для создания изображения любых дефектов с более высоким разрешением.

 

Радиационные границы в производственном цехе помогают защитить рабочих от высоких уровней радиации, необходимых для радиографического контроля сварных швов.

 

Лаборатория передовых сенсорных технологий (FAST) NDE Федерального управления автомобильных дорог проводит исследовательскую деятельность по изучению методов PAUT и полноматричного захвата NDE. Лаборатория NDE является частью исследовательского центра FHWA Turner-Fairbank Highway Research Center в Маклине, штат Вирджиния. Лабораторное исследование PAUT напрямую поддерживает всеобъемлющую цель по поддержке внедрения ультразвуковых методов вместо радиографических для проверки AASHTO/AWS D1.5 Кодекса сварки мостов сварных швов изготовления мостов с полным проплавлением.

Когда можно использовать PAUT?

В Кодекс по сварке мостов D1.5 2015 г. добавлено приложение «Расширенное ультразвуковое исследование» в качестве средства интеграции PAUT в рабочий процесс проверки в качестве замены радиографического контроля до утверждения замены инженером. В приложении приведены требования к использованию PAUT для контроля сварных швов при изготовлении моста вместо традиционного ручного ультразвукового контроля с одним датчиком, разрешенного D1. 5 на протяжении десятилетий.

Код D1.5 разрешает ультразвуковой контроль некоторых сварных швов с полным проплавлением мостов, но по-прежнему требует, чтобы сварные швы, подвергающиеся растягивающим или обратным напряжениям, контролировались радиографическим контролем. Стыковые сварные швы в элементах, ответственных за разрушение, швы, выполненные электрошлаковой сваркой в ​​узкий зазор, и электрогазовая сварка также требуют как радиографического, так и ультразвукового контроля.

 

PAUT позволяет инспекторам собирать данные и создавать изображения, аналогичные радиографическому изображению.

 

Хотя код D1.5 одобряет некоторые применения PAUT, все еще существуют приложения, которые требуют дальнейшего изучения и подтверждения эффективности PAUT, чтобы потенциально заменить громоздкий и дорогостоящий метод рентгенографического контроля. Общая цель продолжающейся работы PAUT в лаборатории FAST NDE состоит в том, чтобы оценить состояние технологии PAUT и ее потенциальное применение в качестве альтернативы всем рентгенографическим исследованиям в D1. 5.

Внедрение программы PAUT — это большой шаг вперед по сравнению с ручным ультразвуковым контролем. Преимущества перехода на PAUT могут привести к более эффективным и надежным проверкам. Хотя общий подход к ультразвуковому контролю сварного шва аналогичен, PAUT представляет собой более сложный процесс контроля, требующий предварительных инвестиций в оборудование и программное обеспечение, а также необходимость дополнительного обучения инспекторов.

Изучение PAUT в лаборатории

Лаборатория FAST NDE исследовала технологию PAUT в течение нескольких лет, в том числе до публикации приложения «Расширенное ультразвуковое исследование». Первый этап этих исследований включал изготовление подходящих образцов для испытаний и разработку предварительных процедур. Изготовители мостов подготовили сварные испытательные образцы, чтобы убедиться, что они представляют широко применяемые методы сварки мостов. Они изготовили стыковые соединения с полным проплавлением и образцы переходных стыковых соединений. Сварщики преднамеренно внедряли дефекты сварки, такие как пористость, трещины, несплавление и шлак, в испытуемые образцы.

Первоначальное сравнение результатов PAUT, обычного ультразвукового исследования и рентгенографических изображений дало широкое понимание эффективности PAUT. Результаты PAUT в целом согласуются с результатами рентгенографии каждого из испытательных образцов, что подтверждает решение продолжить исследования PAUT.

Следующим этапом исследования была попытка продолжить создание требований PAUT и поддержать разработку критериев приемлемости PAUT для предлагаемого включения в спецификацию D1.5. FHWA представила комитетам AWS основные моменты этой ранней работы, а также вклад многих других участников, поддерживающих комитет, что привело к принятию в 2015 году требований приложения PAUT в D1.5.

 

Образцы, подобные этой тестовой пластине, были изготовлены FHWA для сравнения методов PAUT и рентгенографии. Показанная здесь тестовая пластина имеет дуговой сварной шов под флюсом, а участок находится на конце пластины, где был отпилен выходной язычок. Эти дефекты не обязательно представляют дефекты по всей длине сварного шва.

 

Для сбора и анализа данных исследователи выбрали общедоступное готовое оборудование и датчики PAUT. FHWA использовала 64-элементный линейный датчик с частотой 2,25 МГц. Хотя требования AWS D1.5 не ограничивают частоту зонда диапазоном 2,25 МГц, как для ручного ультразвукового контроля, исследователи выбрали 2,25 МГц, чтобы лучше сравнивать результаты с результатами ручного контроля.

FHWA выполнила калибровку PAUT в соответствии с D1.5. Калибровочный блок включает ряд боковых отверстий диаметром 1/16 дюйма (1,6 мм) на разной глубине, чтобы установить одинаковую чувствительность контроля по всей толщине проверяемого сварного шва. Это совершенно другой подход к калибровке по сравнению с требованиями ручного ультразвукового контроля в D1.5, где используется одностороннее просверленное отверстие. При ручном ультразвуковом контроле D1.5 коррекция чувствительности контроля по мере затухания звука в материале рассчитывается с использованием предполагаемой скорости затухания звука. В настоящее время комитет AWS обсуждает, какой подход лучше для калибровки, поскольку у обоих есть свои плюсы и минусы.

Исследовательская группа изготовила испытательные образцы, чтобы показать материалы, конструкции сварных соединений, толщину и процессы сварки, типичные для изготовления мостов. Чтобы гарантировать, что сварка будет соответствовать производственной практике сварки мостов, образцы были изготовлены двумя производителями стальных мостов с использованием процессов электрошлаковой сварки в узкий зазор и дуговой сварки под флюсом. Изготовители пытались внедрить в образцы естественные дефекты, с которыми обычно можно столкнуться в процессе производства, такие как трещины, непровары, непровары, пористость и шлак. Компания FHWA изготовила в общей сложности 10 образцов стыкового соединения.

 

Эта диаграмма иллюстрирует хорошую сопоставимость обнаружения и отклонения дефектов с помощью PAUT и радиографического контроля в лаборатории. Этот набор испытательных пластин имел 39 дефектов, включая трещины, несплавление (обозначено LOF на графике), пористость и шлак. Результаты обнаружения и отклонения для этих двух методов почти идентичны для этого конкретного набора тестовых планшетов.

 

Лабораторные результаты неразрушающего контроля

Исследовательская группа обнаружила, что PAUT и рентгенографический контроль имеют сопоставимые показатели обнаружения и отклонения дефектов. Из общего числа 39разрывы в наборе данных, радиографический контроль забраковал 5 дефектов, принятых ультразвуковым контролем, и ультразвуковой контроль забраковал 4 дефекта, принятых рентгенографическим контролем.

Самым большим дефектом, отклоненным PAUT и пропущенным при радиографическом контроле, был дефект длиной 5 дюймов (13 сантиметров), предположительно вызванный несплавлением. Самым большим дефектом, отклоненным радиографическим контролем, но принятым PAUT, был дефект длиной 1,88 дюйма (4,78 сантиметра), вызванный отсутствием сплавления. PAUT обнаружил это отсутствие слияния, но при амплитуде сигнала ниже порогового значения, требующего оценки в соответствии с AWS D1. 5.

В то время как отсутствие несплавления длиной почти 2 дюйма (5 сантиметров) может вызвать вопросы о пороге отчетности в AWS D1.5, сварные швы могут иметь несплошности с малой амплитудой на этой длине. В NDE пороговые значения всегда необходимы, чтобы избежать ненужной оценки каждого обнаруженного слабого сигнала, а подход AWS основан на том факте, что исторически малоамплитудные сигналы не считались вредными. В процессе радиографического контроля отсутствует 5-дюймовый (13-сантиметровый) несплавленный участок, что ставит большие вопросы о надежности радиографического контроля для обнаружения этого дефекта. Сообщество NDE понимает проблему как общеизвестную слабость рентгенографического тестирования.

Общая цель текущих исследований FHWA состоит в том, чтобы установить, является ли PAUT жизнеспособной альтернативой использованию рентгенографического тестирования. Первоначальные результаты, указывающие на хорошую корреляцию результатов сравнительного контроля между PAUT и радиографическим контролем, поддерживают PAUT в качестве альтернативы. Однако необходимо разработать более полный набор дефектов сварки, чтобы исследователи могли оценить полностью репрезентативный набор дефектов. Следовательно, лаборатория FAST NDE в настоящее время использует программное обеспечение для ультразвукового моделирования, чтобы дополнить данные тестовой пластины виртуальной базой данных смоделированных дефектов. Исследователи также будут моделировать и использовать физические дефекты тестовой пластины для проверки результатов моделирования.

Достижения в методах PAUT

Несмотря на то, что в D1.5 добавлено приложение с требованиями PAUT в 2015 году, комитеты AWS продолжают получать отзывы для улучшения требований, внедрения развивающихся технологий и изучения уроков, извлеченных из первых пользователей PAUT в сообщество производителей мостов.

В последних достижениях в области промышленного ультразвука используются методы полной матрицы захвата и полной фокусировки PAUT. В этих методах используются те же основные инструменты PAUT и наборы датчиков, которые используются для обычного PAUT, но они обрабатывают данные изображения способами, которые ранее были невозможны из-за ограничений вычислительной мощности компьютера.

Чтобы проиллюстрировать возможности методов оценки и визуализации различных методов, FHWA провела мероприятия с использованием стального блока с рядом близко расположенных отверстий диаметром 1 миллиметр, просверленных по бокам, в трех группах по три отверстия. Расположение отверстий представляет собой проблему для традиционных методов ультразвукового контроля с использованием одноэлементного преобразователя, который не может дать изображение с достаточно высоким разрешением, чтобы указать все отверстия.

 

Чтобы проиллюстрировать разницу в возможностях визуального отображения методов ультразвукового контроля, лаборатория неразрушающего контроля FHWA создала этот стальной блок с тремя наборами из трех отверстий диаметром 1 миллиметр и отсканировала его с использованием различных методов. Сканирование стального блока с использованием исторических методов ультразвукового контроля с помощью одноэлементного преобразователя приводит к отображению, подобному этому. Пики представляют отверстия; два пика в центре дисплея — это два из трех отверстий в среднем наборе.

 

Использование обычного PAUT-контроля с несфокусированным звуковым лучом, используемого, когда проверяется весь сварной шов, не зная о каких-либо существующих дефектах, создает изображение, показывающее три группы. Повторное сканирование с помощью сфокусированного звукового луча, которое используется для большей детализации после обнаружения местоположения и глубины дефекта, обеспечивает еще более четкое изображение. Наконец, использование более продвинутого полноматричного метода захвата PAUT, который не требует фокусировки на известной глубине, создает изображение с максимальной четкостью, показывающее три группы по три отверстия в каждой.

Исследовательская группа собрала все данные полноматричного захвата PAUT и PAUT с помощью 60-элементного датчика с прямым лучом 2,25 МГц, чтобы выявить различия в технологии визуализации. Зонды разной частоты и разного размера изменят разрешение изображения.

Анализ траектории ультразвукового луча, проведенный для разработки планов сканирования PAUT, указывает на необходимость проведения как минимум двух сканирований вдоль каждой стороны сварного шва при различных смещениях индексной точки датчика от осевой линии сварного шва для обеспечения полного охвата объема этих относительно толстых сварных швов. Этот метод сканирования применим как к стыковым сварным швам прямой толщины, так и к стыковым сварным швам переходной толщины.

Крупнозернистая микроструктура, наблюдаемая в электрошлаковых сварных швах, не влияла на распространение ультразвуковых волн до такой степени, что это влияло на обнаруживаемость внедренных дефектов.

Использование полноматричного захвата и метода полной фокусировки дает два ключевых преимущества. Во-первых, это лучшее обнаружение и характеристика дефектов сварного шва, дающая изображение, намного более репрезентативное для фактической формы дефекта, чем то, что можно было визуализировать с помощью предыдущих ультразвуковых испытаний. Во-вторых, лучше определить размер дефекта, поддерживая более продвинутый инженерный анализ для оценки необходимости ремонта дефекта, что особенно применимо к проверкам мостов в процессе эксплуатации, где требуются дорогостоящие решения по ремонту.

Pennsylvania DOT Perspective

В 2017 году Департамент транспорта Пенсильвании (PennDOT) приобрел прибор PAUT. На сегодняшний день основное внимание агентства сосредоточено на определении возможности замены PAUT радиографии путем проведения многочисленных оценок возможностей и ограничений. PennDOT стремится потенциально заменить текущую практику испытаний сварных швов с полным проплавлением в производственных условиях.

«Анализ результатов с текущими стандартами качества изготовления показал, что данные [продемонстрировали] многообещающее сравнение с данными рентгенографического метода, используемого сегодня, с точки зрения длины и обнаружения», — говорит Николас Шраудер, инженер-строитель из PennDOT. «Хотя понятно, что мы никогда не получим истинное сравнение один к одному, преимущества оценки перехода от радиографического к ультразвуковому контролю сварных соединений включают устранение потенциальной радиационной опасности, возможность лучше обнаруживать типы дефектов, которые считаются более важными, и сохранение изображения для постоянной записи, очень похожей на рентгенографию».

«Метод полного матричного захвата/полной фокусировки, без сомнения, представляет собой следующее поколение PAUT для более точного определения размера и характеристики несплошностей», — говорит Шраудер. «PennDOT внимательно следит за развитием технологии».

PennDOT оценивает пилотный проект, который будет запущен в 2021 году, оценивая еще одну передовую технологическую функцию PAUT для анализа данных с помощью доступного на рынке программного обеспечения с использованием передовых алгоритмов для интерпретации и отчетности.

Мнение USACE

Инженерный корпус армии США (USACE) отвечает за техническое обслуживание и эксплуатацию тысяч стальных мостов и гидротехнических сооружений. Конструкции представляют собой стальные ворота, используемые для обслуживания навигационных бассейнов, управления шлюзами и обслуживания резервуаров для управления рисками наводнений и гидроэнергетических операций. Обслуживание этих активов становится все более сложной задачей, учитывая сокращение операционных бюджетов и старение инфраструктуры. Структурные сбои могут привести к гибели людей, а также к негативным экономическим последствиям. USACE постоянно ищет методы и инструменты для продления срока службы этих конструкций при сохранении безопасности и работоспособности.

Один из подходов заключается в оценке пригодности конструкции к эксплуатации, которая определяется как способность продемонстрировать структурную целостность находящегося в эксплуатации компонента, содержащего дефект или повреждение. Для сварных стальных конструкций это означает обнаружение и количественную оценку дефектов, а также оценку приемлемости за счет применения механики разрушения.

«Ультразвуковой контроль является полезным инструментом для определения размера или количественной оценки встроенных дефектов и степени поверхностных дефектов», — говорит Филип Саузер, инженер-строитель из USACE. «Традиционно использовался однозондовый эхо-импульсный ультразвуковой контроль, который давал приемлемые результаты при использовании высококвалифицированными операторами. Проблема заключалась в поиске и привлечении операторов такого уровня квалификации».

 

Использование обычных методов PAUT с несфокусированным звуковым лучом, как это сделал бы инспектор при первоначальном сканировании дефектов, не зная, существуют ли они или где они могут быть расположены, дает изображение, подобное этому. Три набора отверстий в стальном блоке видны, но не различимы. Как только инспектор обнаруживает дефекты с помощью несфокусированного звукового луча, сканирование повторяется с использованием сфокусированного луча. Большее разрешение получаемого изображения дает больше информации о количестве и размере отверстий в каждом наборе. Благодаря усовершенствованному полноматричному сканированию PAUT дисплей обеспечивает достаточное разрешение, чтобы четко отображать три набора из трех отверстий в стальном блоке.

 

В последнее время USACE изучает более совершенные методы испытаний, включая PAUT и времяпролетную дифракцию. Первоначальные исследования PAUT показали широкий разброс результатов: некоторые измерения в пределах менее 1 процента от фактического размера, а другие на 300 процентов превышают фактический размер. Эти исследования показали, что наибольшая точность часто достигается при сканировании обеих сторон элемента с обеих сторон сварного шва, выполнении нескольких смещений сканирования с каждой грани и каждой стороны и растрировании для максимального возврата сигнала.

«Доступ к такому объему сканирования не всегда возможен, и поэтому результаты не могут быть оптимизированы», — говорит Саузер. «Времяпролетные дифракционные исследования показали хорошие результаты, за исключением области вблизи поверхности сканирования, где обнаруживаемость менее надежна и где геометрия элемента противоречит временипролетному дифракционному сканирующему оборудованию».

В настоящее время USACE проводит исследования передовых методов ультразвукового контроля, PAUT, времяпролетной дифракции, метода полной фокусировки и полноматричного захвата, чтобы оценить эти системы для обнаружения и определения размеров дефектов в сварных стальных соединениях. На первом этапе будут оцениваться возможности оборудования, чтобы определить, что можно надежно обнаружить с помощью ультразвукового контроля.

Одним из результатов этого этапа будет руководство по разработке процедур тестирования для оптимизации возможностей оборудования и определения пределов того, что может быть надежно обнаружено и оценено с помощью этих методов. На втором этапе будет оцениваться надежность операторов путем проведения кругового тестирования дефектных образцов. Результатом этого этапа будет разработка требований к квалификации оператора, таких как процедуры квалификации производительности или другие средства, повышающие надежность результатов. Общий результат исследования будет заключаться в количественной оценке надежности системы, оборудования и оператора и включении ее в процесс оценки пригодности к эксплуатации.

Взгляд изготовителя мостов

PAUT предлагает значительные преимущества при контроле сварных швов. По сравнению с радиографическим контролем, он гораздо менее разрушительный в работе, намного безопаснее и лучше обнаруживает дефекты, поскольку PAUT предоставляет информацию о глубине дефекта, которую не дает радиографический контроль. Кроме того, он обеспечивает контроль в широком диапазоне углов, улучшая обнаружение плоских несплошностей, а при обнаружении дефектов обеспечивает более точное определение местоположения дефекта. По сравнению с ультразвуковым контролем, PAUT обычно требует больше времени для использования, но он менее чувствителен к оператору, а при кодировании он дает преимущество, заключающееся в обеспечении постоянной записи данных, которые можно перепроверить или проверить в любое время.

 

В сварных швах между стальными пластинами, используемыми при изготовлении мостовых балок, могут образовываться дефекты как во время изготовления, так и после строительства.

 

«Каждый из трех волюметрических методов в D1.5 имеет некоторое преимущество перед другими, но в целом PAUT предлагает наилучшую общую проверку качества», — говорит Рональд Медлок, вице-президент по техническим услугам в производитель стали. «Учитывая это и повышенную безопасность, PAUT представляет собой логичную и превосходную замену рентгенографическим испытаниям в цехе по изготовлению стальных мостов».

Будущее продвинутых методологий

Все основные производители оборудования для УЗИА имеют системы, способные выполнять полный матричный захват и метод полной фокусировки, либо уже представленные на рынке, либо находящиеся в процессе разработки для маркетинга. То, что все основные производители использовали эту относительно новую возможность системы, является убедительным показателем того, что эти методы являются новым направлением ультразвукового контроля и аналогичны тому, как разрабатывался и внедрялся PAUT. Еще 5 или 10 лет назад только несколько крупных производителей оборудования для неразрушающего контроля продавали оборудование для PAUT. Сегодня более 10 крупных производителей продают системы PAUT. FHWA ожидает, что полный матричный захват и метод полной фокусировки будут следовать одному и тому же пути. На самом деле, возможности полноматричного захвата и систем метода полной фокусировки появились намного быстрее, чем PAUT, по крайней мере, пять крупных поставщиков уже предоставили оборудование.

Будущая работа FHWA

В исследовательские планы FHWA входит изготовление дополнительных образцов сварных швов, чтобы исследователи могли работать с более полным испытательным стендом репрезентативных типов дефектов, конфигураций соединений и толщин пластин. Новые типы дефектов образцов будут установлены после получения дополнительной информации от владельцев мостов, производителей и других заинтересованных сторон отрасли. Ожидаемые дефекты сварки включают продольные трещины, поперечные трещины, связанные с водородом, непровар, непровар, шлак и пористость. Вертикальные поверхности сплавления в процессах электрошлаковой сварки с узким зазором и электрогазовой сварки требуют специального ручного ультразвукового сканирования типа шагового захвата, когда отмечается разрыв на границе сплавления металла шва и основного металла. Необходимо разработать и оценить возможность использования методов PAUT для выполнения этих исторических ручных сканирований типа «питч-улов» в качестве потенциального требования приложения AWS D1. 5.

FHWA также оценит передовое программное обеспечение для ультразвукового моделирования дефектов в дополнение к данным ультразвуковой проверки. С помощью моделирования можно смоделировать и оценить ультразвуковой отклик от дефектов различных типов, размеров, длины и ориентации в соответствии с критериями AWS D1.5. Использование моделирования должно ограничивать количество дополнительных образцов сварных швов, которые необходимо изготовить и проверить. Небольшой набор фактических внедренных дефектов будет изготовлен и использован для физической проверки моделирования и обеспечения дополнительной уверенности в результатах моделирования.

FHWA также оценивает захват полной матрицы PAUT, времяпролетную дифракцию, двумерные массивы PAUT и другие передовые методы ультразвукового контроля для оценки потенциальных улучшений в обнаружении дефектов и определении их размеров. Текущие критерии приемлемости ручного ультразвукового исследования AWS D1.5 требуют использования методов, основанных на движении датчика, для выявления дефектов со значительной высотой дефекта через стенку.