Короткі теоретичні відомості
При всіх видах виробництва і експлуатації металевих виробів актуальним є комплексний контроль якості зварних з'єднань і засноване на ньому адаптивне управління процесом зварювання або ремонтно-відновних робіт. Відомі способи і засоби діагностики і контролю використовують для управління зазвичай непряму зворотний зв'язок, причому недостатньо інформативну.
Головною фізичної причиною практично всіх недоліків відомих методів і засобів неруйнівного контролю минулого століття є їх орієнтація не на фундаментальні (механічні напруги, концентратори), а на непрямі діагностичні ознаки (розриви суцільності, сторонні включення, порушення геометричних параметрів).
(рис. 4.1).
 |
Рисунок 4.1 – Одна з форм подання результату обробки даних сканер-дефектоскопом КОМПЛЕКС-2.10
Перевагами діагностики засобами нового покоління на основі ефекту магнітомеханічній анізотропії металів (сканери-дефектоскопи серії «КОМПЛЕКС-2») є отримання достатнього обсягу інформації для оцінки якості зварних з'єднань і основного металу шляхом аналізу саме прямої (механічні напруги, концентратори), а не непрямої інформації про об'єкт (різні види емісії, поля розсіяння магнітного поля) (рис. 4.1).
Внаслідок цього, розглянутий принцип діагностування забезпечує не тільки виявлення браку (звичайна, апостеріорна діагностика), а й виявлення факту наявності умов для виникнення дефектів в майбутньому (апріорна діагностика).
Завдяки використанню наочної, всебічної інформації про напружено-деформований стан помітних шарів (від 0,1 до 30 мм) металу об'єкта контролю, цей вид діагностики дозволяє оперативно й цілеспрямовано оптимізувати технології зварювання, а також виконувати операції по корекції поточного технічного стану локальних ділянок зварного шва або конструкції. В силу вищезгаданої наочності отриманих результатів, принцип досить ефективний для навчання, атестації персоналу. Використання фундаментальних діагностичних ознак технічного стану зварного шва і навколошовной зони забезпечує певну універсальність розглянутого принципу діагностування по відношенню до різних видів зварювальних процесів і зварних з'єднань.
 |
Рисунок 4.1 – Одна з форм подання результату обробки даних сканер-дефектоскопом КОМПЛЕКС-2.10
При розробці пристроїв враховувалося, що необхідними і достатніми умовами руйнування пружно – пластичного твердого тіла є наявність місцевої концентрації механічних напруг (КМН) та / або високого градієнта різниці головних механічних напружень (РГМН). Вершина КМН вказує координати центру зародження дефекту, напрямок максимуму градієнта РГМН показує напрямок розвитку тріщини або лінії ковзання. При відсутності КМН та / або градієнта РГМН виникнення і розвиток дефекту неможливо.
У зв'язку з цим, результат діагностування сканер-дефектоскопом, проведеного пристроями «КОМПЛЕКС-2», автоматично представляється у вигляді карт розподілів КМН і РГМН на обстеженій ділянці конструкції. Істотно, що напружений стан відображається з урахуванням фактичних залишкових внутрішніх напружень. Характерні діагностичні ознаки, наприклад, межі зон термічного впливу зварювання та або залишкових пластичних деформацій, автоматично виділяються.
Програма обробки даних апаратно-програмного комплексу «КОМПЛЕКС -2» дозволяє:
• оперативно отримувати карти КМН і РГМН (в деяких моделях - пошарово). Результати всіх вимірювань знаходяться в базі даних і доступні в будь-який час для перегляду на екрані ПЕОМ або для виведення на друк;
• створювати автоматичні довідки за результатами обробки даних;
• створювати звіт за встановленою формою з коментарями оператора, з подальшим занесенням в базу даних і виведенням на друк;
• при необхідності автоматично формується вихідний документ - висновок або протокол вимірювань, який при наявності електронного цифрового підпису має юридичну силу;
• в нових моделях – проводити захист звітів і даних діагностики електронно-цифровим підписом оператора. Дані неможливо підробити.
Діагностика проводилася без додаткової обробки поверхні зразка. Виміри проводилися у вузлах координатної сітки.
На ділянках, окреслених еліпсами – ізострессамі, в наявності всі «необхідні і достатні» умови зародження тріщин – наявність концентрації напружень і дуже високий градієнт різниці головних механічних напруг. При експлуатації досить імовірним є руйнування по кромці зварного шва (освіта лінії ковзання) через дуже великого градієнта РГМН.
 |
Рисунок 4.2 –Ділянки труби, які діагностуються
Карта РГМН
Цей зразок має велику схильність до руйнування шляхом тріщиноутворення: лінії РГМН охоплюють точки концентрації напружень. Значення КМН не великі (всього до 2,5), ймовірно, в силу пластичних властивостей сталі. Але це «не заважає» їм стати центрами зародження тріщин.
Застосування сканерів-дефектоскопів серії «КОМПЛЕКС-2» ефективно як при проведенні робіт з надранньої і поточної діагностики з метою виявлення всіх видів дефектів, що створюють КМН, так і для управління процесами зняття залишкових напруг і релаксації КМН, рішення задачі оптимізації зварювальних процесів і досконалість зварювальних апаратів, підвищення якості навчання та об'єктивності атестації персоналу, а також інших проблем зварювання та споріднених процесів.
Зокрема, впровадження методу на стадії будівництва об'єктів істотно підвищує їх надійність і довговічність. Інформація, одержувана пристроями серії «Комплекс-2», дозволяє в 15 – 20 разів скоротити необхідний обсяг дефектоскопії, здійснюваної стандартними ультразвуковими і рентгенівськими методами. Особливу значимість такі результати мають для об'єктів, що виявляють потенційні джерела техногенних аварій.
Порядок виконання роботи
1. Вивчити теоретичні відомості.
2. Описати процес отримання тонких плівок.
3. Привести сучасну методику дефектоскопії металевих конструкцій.
4. Визначити області застосування дефектоскопії металевих конструкцій.
Зміст звіту
1. Найменування роботи, метай устаткування.
2. Основні положення теоретичних відомостей.
3. Завдання використання дефектоскопії для металевих конструкцій.
4. Висновок.
Контрольні питання
1. З якою метою використовують дефектоскопію металевих конструкцій?
2. Що дозволяє контролювати процес дефектоскопії?
3. Завдання застосування сканерів-дефектоскопів?
Література: [5-10].
Лабораторна робота № 5
Тема. Методи неруйнівного контролю зварних з'єднань
Мета роботи: вивчити методи неруйнівного контролю зварних з'єднань.
Обладнання: мікроскоп, діоптрійні та телевізійні трубки
Короткі теоретичні відомості
До неруйнівних методів контролю якості зварних з’єднань відносять зовнішній огляд, контроль на непроникність (або герметичність) конструкцій, контроль для виявлення дефектів, що виходять на поверхню, контроль прихованих і внутрішніх дефектів.
Зовнішній огляд і обміри зварних швів – найбільш прості і широко поширені способи контролю їх якості. Вони є першими контрольними операціями з приймання готового зварного вузла чи виробу. Цим видам контролю піддають усі зварні шви незалежно від того, як вони будуть випробувані в подальшому. Зовнішнім оглядом зварних швів виявляють зовнішні дефекти: непровари, напливи, підрізи, зовнішні тріщини і пори, зміщення кромок зварюваних деталей. Візуальний огляд проводять як неозброєним оком, так і з застосуванням лупи із збільшенням до 10 разів.
Обміри зварних швів дозволяють судити про якість зварного з'єднання: недостатнє перетин шва зменшує його міцність, занадто велике – збільшує внутрішні напруження і деформації. Розміри перерізу готового шва перевіряють за його параметрами в залежності від типу з'єднання. У стикового шва перевіряють його ширину, висоту, розмір опуклості з боку кореня шва, в кутовому – вимірюють катет. Заміряні параметри повинні відповідати ТУ або ДСТУ. Розміри зварних швів контролюють зазвичай вимірювальними інструментами або спеціальними шаблонами. Зовнішній огляд і обміри зварних швів не дають можливості остаточно судити про якість зварювання. Вони встановлюють тільки зовнішні дефекти шва і дозволяють визначити їх сумнівні ділянки, які можуть бути перевірені більш точними способами. Контроль непроникності зварних швів і з'єднань. Зварні шви і з'єднання ряду виробів і споруд повинні відповідати вимогам непроникності (герметичності) для різних рідин і газів. Враховуючи це, у багатьох зварних конструкціях (ємності, трубопроводи, хімічна апаратура) зварні шви піддають контролю на непроникність. Цей вид контролю здійснюється після закінчення монтажу або виготовлення конструкції. Дефекти, виявлені зовнішнім оглядом, усуваються до початку випробувань. Непроникність зварних швів контролюють наступними методами: капілярним (гасом), хімічним (аміаком), бульбашковим (повітряним або гідравлічним тиском), вакуумним або газоелектричними течошукачами.
Контроль гасом.Заснований на фізичному явищі капілярності, яке полягає у здатності гасу підніматися по капілярним ходам – наскрізним порам і тріщинам. В процесі випробування зварні шви покриваються водним розчином крейди з тієї сторони, яка більш доступна для огляду та виявлення дефектів. Після висушування пофарбованої поверхні із зворотного боку шов рясно змочують гасом. Нещільності швів виявляють по наявності на крейдяному покритті слідів проник гасу. Поява окремих плям вказує на пори і свищі, смуг – наскрізних тріщин і непроварів в шві. Завдяки високій проникаючої здатності гасу виявляються дефекти з поперечним розміром 0,1 мм і менше.
Контроль аміаком.Заснований на зміні забарвлення деяких індикаторів (розчин фенолфталеїну, азотнокислої ртуті) під впливом лугів. В якості контролюючого реагенту застосовується газ аміак. При випробуванні на одну сторону шва укладають паперову стрічку, змочену 5 %-ним розчином індикатора, а з іншого боку шов обробляють сумішшю аміаку з повітрям. Аміак, проникаючи через нещільність зварного шва, забарвлює індикатор в місцях залягання дефектів. Контроль повітряним тиском (стисненим воз духом або іншими газами) піддають судини і трубопроводи, що працюють під тиском, а також резервуари, цистерни і т.п. Це випробування проводять з метою перевірки загальної герметичності зварного виробу. Малогабаритні вироби повністю занурюють у ванну з водою, після чого в нього подають стиснене повітря під тиском, на 10 – 20 % перевищує робочий. Великогабаритні конструкції після подачі внутрішнього тиску по зварних швах покривають пінним індикатором (зазвичай розчин мила). Про наявність нещільностей в швах судять по появі пухирців повітря. При випробуванні стиснутим повітрям (газами) слід дотримуватися правил безпеки.
Контроль гідравлічним тиском.Застосовують при перевірці міцності і щільності різних посудин, котлів, паро-, водо- і газопроводів та інших зварних конструкцій, що працюють під надлишковим тиском. Перед випробуванням зварне виріб повністю герметизують водонепроникними заглушками. Зварні шви з зовнішньої поверхні ретельно просушують обдувом повітря. Потім виріб заповнюють водою під надлишковим тиском, в 1,5 – 2 рази перевищує робочий, і витримують протягом заданого часу. Дефектні місця визначають за проявою течі, крапель або зволоженню поверхонь швів.
Вакуумному контролю піддають зварні шви, які неможливо випробувати гасом, повітрям або водою і доступ до яких можливий тільки з одного боку. Його широко застосовують при перевірці зварних швів днищ резервуарів, газгольдерів та інших листових конструкцій. Суть методу полягає у створенні вакууму на одній стороні контрольованої ділянки зварного шва і регістрації на цій же стороні шва проникнення повітря через наявні нещільності. Контроль ведеться за допомогою переносної вакуум-камери, яку встановлюють на найбільш доступну сторону зварного з’єднання, попередньо змочену мильним розчином (рис. 5.1).
Залежно від форми контрольованого вироби і типу сполуки можуть застосовуватись плоскі, кутові і сферичні вакуум-камери. Для створення вакууму в них застосовують спеціальні вакуум-насоси.
Рисунок 5.1 – Вакуумний контроль шва:
1 – вакуумметр, 2 – гумове ущільнення, 3 – мильний розчин, 4 – камера.
Люмінесцентний контроль і контроль методом фарб, званий також капілярною дефектоскопією, проводять за допомогою спеціальних рідин, які наносять на контрольовану поверхню виробу. Ці рідини, що володіють великою здатністю змочувати, проникають в найдрібніші поверхневі дефекти – тріщини, пори, непровари. Люмінесцентний контроль заснований на властивості деяких речовин світитися під дією ультрафіолетового опромінення. Перед контролем поверхні шва і навколошовної зони очищають від шлаку і забруднень, на них наносять шар проникаючої рідини, яка потім видаляється, а виріб просушується. Для виявлення дефектів поверхню опромінюють ультрафіолетовим випромінюванням – в місцях дефектів сліди рідини виявляються за світінням.
Контроль методом фарбполягає в тому, що на очищену поверхню зварного з'єднання наноситься змочувальна рідина, яка під дією капілярних сил проникає в порожнину дефектів. Після її видалення на поверхню шва наноситься біла фарба. Виступаючі сліди рідини позначають місця розташування дефектів.
Контроль газоелектричними течошукачамизастосовують для випробування відповідальних зварних конструкцій, так як такі течошукачі досить складні й дорого коштують. В якості газоіндикатора в них використовується гелій. Маючи високу проникаючу здатність, він здатний проходити через найдрібніші несплошності в металі і реєструється течошукачем. В процесі контролю зварний шов обдувають або внутрішній об'єм вироби заповнюють сумішшю газу-індикатора з повітрям. Проникаючий через нещільності газ вловлюється щупом і аналізується в течошукачі.
Для виявлення прихованих внутрішніх дефектів застосовують такі методи контролю.
Магнітні методи контролю засновані на виявленні полів магнітного розсіювання, що утворюються в місцях дефектів при намагнічуванні контрольованих виробів. Виріб намагнічують, замикаючи їм сердечник електромагніта або поміщаючи всередину соленоїда. Необхідний магнітний потік можна створити і пропусканням струму по витків (3 – 6 витків) зварювального дроту, що намотується на контрольовану деталь. Залежно від способу виявлення потоків розсіяння розрізняють наступні методи магнітного контролю метод магнітного порошку, індукційний і магнітографічний. При методі магнітного порошку на поверхню намагніченого з'єднання наносять магнітний порошок(окалина, залізна тирса) в сухому вигляді(сухий спосіб) або суспензію магнітного порошку в рідині(гас, мильний розчин, вода – мокрий спосіб). Над місцем розташування дефекту створяться скупчення порошку у виді правильного орієнтованого магнітного спектру. Для полегшення рухливості порошку виріб обстукують. За допомогою магнітного порошку виявляють тріщини, невидимі неозброєним оком, внутрішні тріщини на глибині не більше 15 мм, розшарування металу, а також великі пори, раковини і шлакові включення на глибині не більше 3 – 5 мм.
При індукційному методі магнітний потік у виробі наводять електромагнітом змінного струму. Дефекти виявляють за допомогою шукача, в котушці которого під впливом поля розсіяння індукується ЕРС, що викликає від орієнтованого магнітного спектру. Для полегшення рухливості порошку виріб обстукують. За допомогою магнітного порошку виявляють тріщини, невидимі неозброєним оком, внутрішні тріщини на глибині не більше 15 мм, розшарування металу, а також великі пори, раковини і шлакові включення на глибині не більше 3 – 5 мм. При індукційному методі магнітний потік у виробі наводять електромагнітом змінного струму. Дефекти виявляють за допомогою шукача, в котушці которого під впливом поля розсіяння індукується ЕРС, що викликає викликає оптичний або звуковий сигнал на індикаторі. При магнітографічному методі (рис. 5.2) поле розсіяння фіксується на еластичній магнітній стрічці, щільно притиснутій до поверхні з'єднання. Запис відтворюється на магнітографічному дефектоскопі. В результаті порівняння контрольованого з'єднання з еталоном робиться висновок про якість з'єднання.
Рисунок 5.2 – Магнітний запис дефектів на стрічку
1 – рухливий електромагніт, 2 – дефект шва, 3 – магнітна стрічка.
Радіаційні методи контролю є надійними і широко поширеними методами контролю, грунтованими на здібностях рентгенівського і гамма-випромінюваннях проникати через метал. Виявлення дефектів при радіаційних методах грунтоване на різному поглинанні рентгенівського або гамма-випромінювання ділянками металу з дефектами і без них. Зварні з'єднання просвічують спеціальними апаратами. З одного боку шва на деякій відстані від нього поміщають джерело випромінювання, з протилежного боку щільно притискують касету з чутливою фотоплівкою (рис. 5.3). При просвічуванні промені проходять через зварне з'єднання і опромінюють плівку. У місцях, де є пори, шлакові включення, непровари, великі тріщини, на плівці утворюються темні плями. Вид і розміри дефектів визначають порівнянням плівки з еталонними знімками. Джерелами рентгенівського випромінювання служать спеціальні аппараты(РУП-150-1, РУП-120-5-1 та ін.).
Рисунок 5.3 – Схема радіаційного просвічування швів
а – рентгенівським, б – гамма-випромінюванням
1 – джерело випромінювання, 2 – виріб, 3 – чутлива плівка.
Рентгенопросвичуванням доцільно виявляють дефекти в деталях завтовшки до 60 мм. Разом з рентгенографируванням(експозицією на плівку) приміняют і рентгеноскопію, тобто отримання сигналу про дефекти при просвічуванні металу на екран з флуоресціюючим покриттям. Наявні дефекти в цьому випадку розглядають на екрані. Такий спосіб можна поєднувати з телевізійними пристроями і контроль вести на відстані.
При просвічуванні зварних з'єднань гамма-випромінюванням джерелом випромінювання служать радіоактивні ізотопи: кобальт-60, тулій-170, іридій-192. Ампула з радіоактивним ізотопом поміщається у свинцевий контейнер. Технологія виконання просвічування подібна до рентгенівського просвічування. Гамма-випромінювання відрізняється від рентгенівського більшою жорсткістю і меншою довжиною хвилі, тому воно може проникати в метал на велику глибину. Воно дозволяє просвічувати метал завтовшки до 300 мм. Недоліками просвічування гамма-випромінюванням в порівнянні з рентгенівським є менша чутливість при просвічуванні тонкого металу(менше 50 мм), неможливість регулювання і інтенсивності випромінювання, велика небезпека гамма-випромінювання при необережному поводженні з гамма-аппаратами.\u0009Ультразвуковий контроль грунтований на здатності ультразвукових хвиль проникати в метал на велику глибину і відбиватися від дефектних ділянок, що знаходяться в нім. В процесі контролю пучок ультразвукових коливань від вібруючої пластинки-щупа(п'єзокристала) вводиться в контрольований шов. При зустрічі з дефектною ділянкою ультразвукова хвиля відбивається від нього і уловлюється іншій пластинкою-щупом, яка перетворить ультразвукові коливання в електричний сигнал (рис. 5.4).
Рисунок 5.4 – Ультразвуковий контроль швів
1 – генератор УЗК, 2 – щуп, 3 – підсилювач, 4 – екран
Ці коливання після їх посилення подаються на екран електронно-променевої трубки дефектоскопа, які свідчать про наявність дефектів. За характером імпульсів судять про протяжність дефектів і глибину їх залягання. Ультразвуковий контроль можна проводити при односторонньому доступі до зварного шва без зняття посилення і попередньої обробки поверхні шва.\u0009Ультразвуковий контроль має наступні переваги: висока чутливість (1 – 2 %), що дозволяє виявляти, вимірювати і визначати місцезнаходження дефектів площею 1 – 2 мм2; велика проникаюча здатність ультразвукових хвиль, що дозволяє контролювати деталі великої товщини; можливість контролю зварних з'єднань з одностороннім підходом; висока продуктивність і відсутність громіздкого устаткування. Істотним недоліком ультразвукового контролю є складність встановлення виду дефекту. Цей метод застосовують і як основний вид контролю, і як попередній з подальшим просвічуванням зварних з'єднань рентгенівським або гамма-випромінюванням.
Порядок виконання роботи
1. Вивчити теоретичні відомості.
2. Описати суть методу неруйнуючого контролю зварних з'єднань.
3. Описати особливості контролю дефектів швів.
Зміст звіту
1. Найменування роботи, мета й устаткування.
2. Основні положення теоретичних відомостей.
3. Суть методу неруйнівного контролю зварних з'єднань.
4. Схему радіаційного просвічування швів.
5. Ультразвуковий контроль швів.
6. Магнітний запис дефектів на стрічку.
7. Метод контролю газоелектричним течошукачем.
8. Контроль гідравлічним тиском.
9. Люмінесцентний контроль і контроль методом фарб.
10. Вакуумний контроль шва.
11. Висновок.
Контрольні питання
1. Охарактеризуйте метод контролю гасом.
2. Охарактеризуйте метод контролю аміаком.
3. Опишіть вакуумний контроль шва.
4. Особливості люмінесцентного контролю і контролю методом фарб.
5. Суть контролю газоелектричним течошукачем.
6. Необхідність магнітного запису дефектів на стрічку.
7. Схема радіаційного просвічування швів.
8. Пояснити метод ультразвукового контролю шва.
Література: [6-12].
Лабораторна робота № 6