СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАДИОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N23/18 

Изобретение относится к области дефектоскопии и может быть использовано при радиографическом контроле сварных швов, наплавок и основного металла сварных соединений.

Известен способ оценки качества сварных соединений по результатам радиографического контроля, основанный на визуальном просмотре радиографических снимков, фиксировании изображений дефектов, определении типа выявленных дефектов, измерении их размеров на снимке при учете того обстоятельства, что при радиографическом контроле не выявляют объемные дефекты типа пор и включений с размером в направлении просвечивания менее удвоенной чувствительности контроля и плоскостные дефекты типа непроваров и трещин, плоскость раскрытия которых не совпадает с направлением просвечивания и/или раскрытие которых менее 0,1 мм при просвечиваемой толщине стали до 40 мм, менее 0,2 мм при толщине 40-100 мм, менее 0,3 мм при толщине 100-150 мм, менее 0,4 мм при толщине 150-200 мм, менее 0,5 мм при толщине свыше 200 мм (см. ГОСТ 7512-82. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод.).

Способом, наиболее близким по своей технической сути заявляемому, является способ (см. ПНАЭ Г-7-017-89. Унифицированная методика контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов АЭУ. Радиографический контроль.), где наряду с предусмотренным в ГОСТ 7512-82 визуальным способом регистрации дефектов предусмотрена фотометрическая оценка оптической плотности изображений дефектов типа утяжин и проплавов для оценки их размеров в направлении просвечивания.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности и надежности оценки качества сварных соединений по результатам радиографического контроля.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе оценки качества сварных соединений по результатам радиографического контроля, заключающемся в просмотре радиографических снимков, фиксации чувствительности контроля по изображению эталона чувствительности и измерении размеров изображений дефектов, выполняют следующие операции:

1) выбирают конкретный тип эталона чувствительности;

2) прогнозируют типы возможных дефектов для контролируемого сварного соединения;

3) количественно оценивают по отношению к минимальному выявленному элементу эталона чувствительности значения параметров прогнозируемых дефектов, при которых эти дефекты не выявляются радиографией при данной чувствительности контроля.

Для чего для пор и включений определяют минимальный выявляемый размер в направлении просвечивания в зависимости от длины дефекта, а для непроваров и трещин определяют минимальное выявляемое поперечное сечение и минимальное выявляемое раскрытие в зависимости от протяженности дефекта в направлении плоскости его раскрытия и критический для выявления дефекта угол между плоскостью дефекта и направлением просвечивания.

4) оптимизируют схемы просвечивания;

5) проводят выбор дополняющих радиографию методов неразрушающего контроля (ультразвуковой контроль, цветная дефектоскопия, магнитопорошковая дефектоскопия).

Сущность изобретения поясняется следующими расчетными выражениями.

При оценке чувствительности К=К_ист ^пр.эт. по проволочному эталону чувствительности по ГОСТ 7512-82, устанавливаемому на контролируемое сварное соединение со стороны источника излучения, минимальный выявляемый размер в направлении просвечивания Δd_min ^П,Ш объемных дефектов типа пор(раковин), шлаковых включений определяется в соответствии с выражением:

, где

меньшее числовое значение коэффициента в круглых скобках - 1,4 соответствует протяженным дефектам длиной l≥10 мм, большее - 3,0; 2,5; 2,0 - компактным дефектам длиной l, равной ширине дефекта b (при b<l<10 мм применяют интерполирование);

коэффициент заполнения k₃=1 для пор (раковин) и k₃≅ρ/(ρ-ρ_ш)≅1,4 для шлаковых включений в стали при обычной плотности шлака ρ_ш=2,3 г/см³.

Для вольфрамовых включений в сварных соединениях из стали:

Для плоскостных дефектов типа непроваров и трещин произвольной ориентации относительно направления просвечивания (при условии геометрически правильной формы дефекта и длине дефекта в плоскости просвечивания l≥10 мм) величина минимально выявляемого раскрытия b_min ^Н,Т будет определяться выражением:

где S_min ^H,T(⊥)=(b×Δd)_min ^H,T(⊥) - минимальное выявляемое поперечное сечение непровара или трещины при совпадении направления просвечивания с плоскостью раскрытия дефекта,

S_min ^пр.эт.=πK²/4, где К - чувствительность контроля (диаметр минимальной выявляемой проволочки эталона),

- суммарная величина собственной (u_c) и геометрической (u_г) нерезкости (при u_c=u_г величина u_c,г.≅0,6 К для u_г=0,5 К; b_min ^H,T(⊥)<u_c,г.),

ϕ - угол между направлением просвечивания и плоскостью раскрытия дефекта,

Δd°=L - протяженность дефекта в направлении плоскости его раскрытия.

Для реальных непроваров и трещин с типично малым раскрытием критический для их выявления угол между направлением просвечивания и плоскостью раскрытия дефекта ϕ=d_кр определяется полуэмпирическим выражением:

При установке эталонов со стороны источника излучения соотношения между чувствительностью контроля, определяемой по проволочному и пластинчатому (диаметр отверстия равен удвоенной толщине эталона) и проволочному и канавочному (ширина канавки b равна глубине канавки Δd) эталонам, определяются следующими выражениями:

Пример конкретного выполнения.

Заявленным способом проводился радиографический контроль аустенитного сварного соединения толщиной 12 мм, выполненного электронно-лучевой сваркой (ЭЛС). Просвечивание проводилось рентгеновским аппаратом РУП-150/300 при напряжении на рентгеновской трубке 150 кВ на радиографическую пленку типа D4. Фокусное расстояние составляло 700 мм. На сварное соединение устанавливался со стороны источника излучения проволочный эталон чувствительности по ГОСТ 7512-82. Снимки фотообрабатывались на автоматической фотопроявочной машине «Геваматик» и просматривались на негатоскопе «Хеллинг». В результате просмотра снимков было зарегистрировано два дефекта: поры диаметром 1,2 мм и 1 мм (П1,2; П1). Чувствительность контроля К=К_ист ^пр.эт.=0,2 мм.

После регистрации выявленных на радиографическом снимке дефектов, измерения их размеров и сравнения их с нормативными размерами, приведенными в нормативной документации на данное сварное соединение (определение допустимости или недопустимости выявленных дефектов), проводилась оценка типов и параметров возможных дефектов, которые не выявляются в данном сварном соединении при данных условиях и режимах радиографического контроля.

При электронно-лучевой сварке (вакуум) практически отсутствуют шлаковые включения, нет вольфрамовых включений, но возможны поры, раковины, непровары, трещины.

В соответствии с выражением (1) при достигнутой чувствительности контроля К=0,2 по проволочному эталону не выявляют (вероятность обнаружения при просмотре снимка менее 95%) поры (раковины) с размерами Δd^п,ш<(1,4-2,5)×0,2=0,28-0,5 мм, т.е. не выявляют сферические поры диаметром менее 0,5 мм и протяженные в плоскости просвечивания цилиндрические поры диаметром менее 0,28 мм при длине поры l^П≥10 мм. При длине горизонтальных цилиндрических пор 0,5<l^П<10 мм их минимальный выявляемый диаметр лежит в пределах 0,28-0,5 мм и определяется для данной длины l^П соответствующим интерполированием.

Относительно трещин, имеющих обычно неровную, изломанную форму, критический для их выявления угол между направлением просвечивания и плоскостью раскрытия дефекта α_кр определяется выражением (4), из которого следует, что выявление трещин не гарантируется при α_кр>5-7°. Следовательно в дополнение к радиографическому контролю рекомендуется проведение ультразвукового контроля, достаточно хорошо выявляющего произвольно ориентированные трещины в металле. В тоже время, в данном рассматриваемом случае аустенитного сварного соединения применение УЗ-контроля может быть недостаточно эффективным из-за высокого уровня УЗ-шумов. Необходимы и другие методы неразрушающего контроля - цветная дефектоскопия, гелиевый контроль.

В рассматриваемом случае разделка кромок прямая, детали стыкуются, вследствие чего возможно появление глубоких непроваров из-за смещения электронного луча с разделки. Такие непровары плохо выявляются по причине своего малого раскрытия. Форма этих непроваров близка к геометрически правильной, длина обычно не менее 10 мм, что позволяет использовать для оценки выявляемости таких дефектов выражение (3).

Рассмотрим выявляемость непроваров глубиной Δd^H, равной 10 и 50% от просвечиваемой толщины стенки трубы d. В данном случае Δd^H ₁=10%d=1,2 мм, Δd^h ₂=50%d=6 мм.

При совпадении направления просвечивания и плоскости раскрытия непровара, что предусматривается применяемой схемой просвечивания данного сварного соединения, минимальное выявляемое раскрытие непроваров при чувствительности контроля К=К_ист ^пр.эт.=0,2 мм будет равно:

b_min ^H,T(⊥) ₁=[3,14×(0,2)²/4]/1,2≅0,026 мм,

b_min ^H,T(⊥) ₂=[3,14×(0,2)²/4]/6≅0,005 мм.

При этом отклонение направления просвечивания от плоскости раскрытия непровара для обеспечения указанной величины b_min не должно превышать:

ϕ°₁=arctg(0,026/1,2)≅1,2°

ϕ°₂=arctg(0,005/6)≅0,05°

При ϕ>5°, т.е. при ϕ>ϕ°_1,2 величина b_min резко возрастает:

b_min1 ^ϕ≥5°≥(2,3 sin 5°)×0,2≅0,04 мм,

b_min2 ^ϕ≥5°≥(1,6 sin 5°)×0,2≅0,03 мм.

Из проведенного анализа следует, что, во-первых, хотя критическая для выявления непроваров величина их раскрытия сравнительно мала, но при плотной стыковке свариваемых прямых обработанных кромок фактическое раскрытие непроваров(зазора) может быть меньше необходимого для выявления этих дефектов и, во-вторых, наблюдается резкое снижение выявляемости указанных непроваров, особенно более глубокого (увеличение b_min ^H) уже при малом (≈5°) несовпадении направления просвечивания и плоскости прямых стыкуемых кромок соединения. Соответственно для обеспечения выявляемости таких дефектов необходимо наличие достаточно большого зазора между прямыми кромками, что можно, например, достичь шероховатостью поверхности кромок не менее величины b_min ^H, т.е. не менее 0,03-0,05 мм, а также направлением излучения при проведении просвечивания строго в плоскость стыкуемых кромок (применение отвеса, лазерного указателя направления центрального луча, травление поверхности сварного шва для определения центра соединения).

Для гарантированного исключения непроваров при ЭЛС можно рекомендовать выполнение на торцах свариваемых деталей в нижней части в области припуска на механическую обработку канавки достаточных размеров, которая надежно выявляется в случае ее незаварки при радиографическом контроле соединения до его механической обработки. Отсутствие на снимке изображения канавки при просвечивании сварного шва до механической обработки свидетельствует о полном проваре (т.е. отсутствие непровара) шва.

Размеры канавки должны обеспечивать как надежное ее выполнение в случае непровара из-за смещения электронного луча с разделки, так и ее заплавление по ширине в случае провара, т.е. канавка должна быть достаточно глубокой и не слишком широкой (не шире электронного луча). Для выполнения этого условия можно взять канавку глубиной Δd_кан=2Δd_min и шириной b_кан, равной глубине Δd_кан. Из выражения (1) следует (длина канавки l_кан>10 мм): Δd_кан=2Δd=2×1,4×0,2≅0,6 мм.

Таким образом заявляемый способ за счет использования (вместо приведенных в ГОСТ 7512-82 общих, малопригодных для практики критериев выявляемости) количественной оценки выявляемости конкретных типов дефектов повышает надежность контроля, оптимизирует выбор параметров просвечивания, позволяет проводить техническую диагностику в отношении наличия и параметров возможных невыявленных дефектов в проконтролированном сварном соединении и, соответственно, проводить обоснованный выбор дополняющих радиографию методов неразрушающего контроля и корректировку технологии выполнения сварных соединений. Заявляемый способ реализует переход от традиционного радиографического метода пассивной регистрации выявленных дефектов к активному, регулирующему контролю.

Использование: для оценки качества сварных соединений. Сущность: заключается в том, что осуществляют просмотр радиографических снимков, фиксируют чувствительность контроля по изображению эталона чувствительности и измеряют размеры изображений дефектов, при этом выбирают конкретный тип эталона чувствительности, прогнозируют типы возможных дефектов для контролируемого сварного соединения, количественно оценивают по отношению к минимальному выявленному элементу эталона чувствительности значения параметров прогнозируемых дефектов, при которых эти дефекты не выявляются радиографией при данной чувствительности контроля, после чего проводят выбор дополняющих радиографию методов неразрушающего контроля. Технический результат: повышение точности и надежности оценки качества сварных соединений.

Способ оценки качества сварных соединений по результатам радиографического контроля, заключающийся в просмотре радиографических снимков, фиксации чувствительности контроля по изображению эталона чувствительности и измерении размеров изображений дефектов, отличающийся тем, что выбирают конкретный тип эталона чувствительности, прогнозируют типы возможных дефектов для контролируемого сварного соединения, количественно оценивают по отношению к минимальному выявленному элементу эталона чувствительности значения параметров прогнозируемых дефектов при которых эти дефекты не выявляются радиографией при данной чувствительности контроля, для чего при оценке чувствительности К=К_ист ^пр.эт. по проволочному эталону чувствительности по ГОСТ 7512-82, устанавливаемому на контролируемое сварное соединение со стороны источника излучения, определяется минимальный выявляемый размер в направлении просвечивания Δd_min ^П,Ш объемных дефектов типа пор (раковин), шлаковых включений в соответствии с выражением

Δd_min^П,Ш=k_з(1,4-3,0)К,0,1 мм≤К≤0,2 ммΔd_min^П,Ш=k_з(1,4-2,5)К,0,2 мм≤К≤0,4 ммΔd_min^П,Ш=k_з(1,4-2,0)К,К≥0,4 мм

где меньшее числовое значение коэффициента в круглых скобках - 1,4 соответствует протяженным дефектам длиной 1≥10 мм, большее - 3,0; 2,5; 2,0 - компактным дефектам длиной 1 равной ширине дефекта b (при b<1<10 мм применяют интерполирование); коэффициент заполнения k_з=l для пор (раковин) и k_з≅ρ/(ρ-ρ_ш)≅l,4 для шлаковых включений в стали при обычной плотности шлака ρ_ш=2,3 г/см³, для вольфрамовых включений в сварных соединениях из стали Δd_min ^B≅К, для плоскостных дефектов типа непроваров и трещин произвольной ориентации относительно направления просвечивания (при условии геометрически правильной формы дефекта и длине дефекта в плоскости просвечивания 1≥10 мм) величина минимально выявляемого раскрытия b_min ^H,T определяется выражением

b_min^H,T(⊥)=S_min^H,T(⊥)/Δd°=S_min^пр.эт/Δd°,0≤ϕ≤ϕ°=arctg(b_min^H,T(⊥)/Δd°)b_min^H,T=2,3 sinϕ·K,ϕ°≤ϕ≤ϕ₁=arcsin(u_с,г/Δd°)b_min^H,T=1,6 sinϕ·K,ϕ≤ϕ₁,

где S_min ^H,T(⊥)=(b·Δd)_min ^H,T(⊥) - минимальное выявляемое поперечное сечение непровара или трещины при совпадении направления просвечивания с плоскостью раскрытия дефекта;

S_min ^пр.эт.=πK²/4, где К - чувствительность контроля (диаметр минимальной выявляемой проволочки эталона);

u_с,г= - суммарная величина собственной (u_c) и геометрической (u_г) нерезкости (при u_c=u_г величина u_c,г≅0,6 К для u_г=0,5 К; b_min ^H,T(⊥)<u_с,г);

ϕ - угол между направлением просвечивания и плоскостью раскрытия дефекта;

Δd°=L - протяженность дефекта в направлении плоскости его раскрытия,

для реальных непроваров и трещин с типично малым раскрытием критический для их выявления угол между направлением просвечивания и плоскостью раскрытия дефекта ϕ=d_кр определяется полуэмпирическим выражением d_кр.≤arcsin(0,8 K/L)≤5-7°, кроме того, при установке эталонов со стороны источника излучения соотношения между чувствительностью контроля, определяемой по проволочному и пластинчатому (диаметр отверстия равен удвоенной толщине эталона) и проволочному и канавочному (ширина канавки b равна глубине канавки Δd) эталонам, определяются следующими выражениями

K_ист^{пл.эт.2Т}=1,6 K_ист^пр.эт.,0,1≤K_ист^пр.эт.<0,2 ммK_ист^{пл.эт.2Т}=1,3 K_ист^пр.эт.,0,2≤K_ист^пр.эт.<0,4 ммK_ист^{пл.эт.2Т}=K_ист^пр.эт.,K_ист^пр.эт.≥0,4 ммK_ист^{кан.эт.(b=Δd)}=0,8 K_ист^пр.эт.,K_ист^пр.эт.≤1 ммK_ист^{кан.эт.(b=Δd)}=K_ист^пр.эт.,K_ист^пр.эт.>1 мм,

после чего проводят выбор дополняющих радиографию методов неразрушающего контроля.