Разработка технических средств и методики контроля кольцевых швов малогабаритных емкостей

Акустический вид неразрушающего контроля основан на регистрации  параметров упругих волн, возникающих  или возбуждаемых в объекте. К  основным преимуществам ультразвуковой дефектоскопии относятся высокая  чувствительность, мобильность аппаратуры, оперативность в получении результатов, низкая стоимость контроля. Методы широко распространены в промышленности для выявления дефектов: трещин, непроваров, шлаковых включений в  сварных швах, - при толщине стенки изделия от 1 до 2800 мм. Основными недостатками акустических методов являются высокие  требования к чистоте обработки  поверхности объекта контроля, трудность  создания надежного акустического  контакта между преобразователем и  изделием, имеющим криволинейную  поверхность, неудовлетворительная выявляемость дефектов в поверхностном слое металла. Последнее особенно важно при  контроле тонкостенных изделий, так  как в этом случае могут быть пропущены  дефекты значительной величины (по отношению к толщине стенки изделия), которые сильно ослабляют контролируемое сечение [2].

Магнитные методы контроля основаны на обнаружении магнитных полей  рассеяния, возникающих при наличии  различных дефектов сплошности, в  намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов, а также на определении магнитных свойств объектов. Поля рассеяния могут фиксироваться с помощью различных индикаторов и преобразователей: магнитного порошка, феррозонда, индукционного преобразователя и т.д.

Для надежного обнаружения дефектов в изделиях магнитопорошковым методом  контролируемая поверхность должна быть зачищена до шероховатости, значение которой определяется требуемой  чувствительностью метода.

При контроле сварных соединений и ферромагнитных объектов с грубой поверхностью достаточно широко применяют  магнитографический метод контроля. В этом случае магнитные потоки рассеяния, обусловленные дефектами сплошности металла, записываются на магнитную  ленту, затем запись считывается  на дефектоскопе. О наличии дефектов судят  по виду сигналограммы на экране дефектоскопа. Магнитографический метод контроля имеет ряд достоинств: высокую чувствительность (особенно к поверхностным и подповерхностным дефектам), высокую производительность, наличие документа-свидетеля о  контроле, низкие требования к чистоте  контролируемой поверхности [2].

Таким образом, анализ неразрушающих  методов контроля показал, что наиболее приемлемым для обнаружения дефектов в кольцевых сварных швах малогабаритных емкостей является магнитографический метод контроля вследствие его высокой чувствительности и производительности.

 

1.4 Анализ литературных  источников с целью выбора  способа контроля

 

В сварных  соединениях  изделий из низкоуглеродистых  и ряда низколегированных сталей дефекты сплошности (непровары, подрезы, трещины, цепочки пор) ориентированы вдоль продольной оси шва. При магнитографическом контроле рекомендуют такие соединения намагничивать в поперечном направлении, т. к. вектор напряженности внешнего поля  будет ориентирован перпендикулярно направлению распространения дефектов и их выявляемость поэтому будет наилучшей [1].

При намагничивании сварного соединения в поперечном направлении  выпуклость шва создает значительную неоднородность поля в зоне контроля. Объясняется это тем, что на выступающей  поверхности шва образуются магнитные  полюсы, которые создают в шве  и его окрестностях поле, направленное навстречу внешнему. Чем меньше ширина В и больше высота С валика шва, тем слабее намагничен шов. Особенно малая индукция в плоскости симметрии шва. Поэтому выявляемость дефектов, расположенных в указанном сечении шва, наихудшая. Расчетным и экспериментальным путем было показано, что при неизменном значении напряженности намагничивающего поля одинаковым значениям обобщенного параметра шва y=В/C всегда соответствуют одинаковые значения напряженности поля в плоскости симметрии шва [2, 44]. Т.е. предварительный режим намагничивания при магнитографическом контроле необходимо устанавливать в зависимости от y.  Чувствительность магнитографического контроля сварных соединений зависит не только от величины поля дефекта, но и от его градиента. При этом влияние валика шва наиболее точно можно учесть с помощью обобщенного параметра R₀= B²/8c  - радиуса кривизны валика шва плоскости его симметрии. Чем меньше R₀, тем ниже чувствительность контроля сварных соединений [45].

На магнитную  ленту в процессе магнитографического  контроля стыковых сварных соединений (при поперечном намагничивании) записывается в основном суперпозиция магнитных  полей следующих видов:

- тангенциальные  составляющие внешнего намагничивающего  поля  Н_t0;

- поля  изделия (без валика шва)  Н_tи;

-  поле валика шва Н_tÌÉ;

- поле  дефекта  Н_td.

Поле  дефекта с увеличением глубины  залегания дефекта претерпевает не только количественные, но и качественные изменения. Начиная с некоторой  глубины залегания дефекта Н_td из колоколообразной трансформируется в дугообразную, максимум которой смещается к краям валика шва [46]. Это обусловливает появление в шве областей качественно разной выявляемости дефектов [46], (рисунок 1.1).

если дефект расположен в области III, то максимумы делокализованного поля дефекта совпадают с краями валика шва и на сигналограмме будет наблюдаться лишь изменение амплитуд помех, обусловленных валиком шва. Эта особенность использована в [47] для разработки способа намагничивания при контроле односторонних сварных соединений.

 Сущность способа состоит  в следующем, (рисунок 1.2): на поверхность контролируемого образца с обратной стороны шва укладывают пластину прямоугольного сечения, а затем две пластины со скосом кромки, стык которых расположен в плоскости симметрии шва. Толщину пластины прямоугольного сечения выбирают такой, чтобы стык пластин со скосом кромки находился в области III (или II). В этом случае “ложный” сигнал от стыка на сигналограмме либо будет отсутствовать, либо такие сигналы не будут превышать фон помех. Итак, стык пластин со скосом кромки создает дополнительное поле, которое подмагничивает шов, однако сам стык как дефект не обнаруживается. Дефекты же сплошности сварного соединения располагаются ближе к поверхности сильно намагниченного шва (области I_a или I_б), а потому 5

 будут  создавать значительные поля  рассеяния и могут быть уверенно  обнаружены.

 

 

Рисунок 1.1 – Области качественно разной выявляемости дефектов в сварном соединении

 

Описанный способ позволяет значительно повысить чувствительность контроля сварных  соединений, однако имеет существенный недостаток: необходим подход к обратной стороне шва. Кроме того, способ магнитографического  контроля целесообразно использовать при отсутствии обратного валика шва.

Если  нет подхода к обратной стороне  шва, то для повышения чувствительности метода можно использовать подмагничивающую систему в виде подковообразного магнита [48] (рисунок 1.3) либо в виде двух пластин прямоугольного сечения, рабочие поверхности которых расположены на одинаковых расстояниях от зоны перехода шва к основному металлу (рисунок 1.4) [49]. Расстояние l между концентраторами магнитной индукции выбирают из условия возникновения максимально допустимых помех на сигналограмме.

 

 

Рисунок 1.2 – Намагничивающее устройство для осуществления способа по авторскому свидетельству № 565245

 

Повышение чувствительности метода обусловлено  увеличением индукции в контролируемых сечениях  шва вследствие более  высокой напряженности поля в  зоне контроля, создаваемого концентраторами  магнитной индукции.

Указанный способ, однако, не обеспечивает требуемой  чувствительности контроля реальных сварных швов вследствие недостаточно высокой напряженности намагничивающего поля, обладает низкой достоверностью контроля, т. к. шов  в поперечном направлении намагничен неравномерно (сильнее у краев), неудобен в реализации из-за затруднительного подхода к валику контролируемого шва.

 

Рисунок 1.3 – Намагничивающее устройство по авторскому свидетельству № 418786

 

Указанные недостатки во многом устраняются, а  чувствительность контроля сварных  швов значительно повышается, если концентраторы магнитной индукции расположить на высоте С+D от поверхности контролируемого изделия, на расстоянии друг от друга, равном ширине шва, где С - высота валика шва,         0£D£4 мм [7, 50]. При этом вследствие того, что на валик шва воздействует неоднородное дополнительное подмагничивающее поле (у середины сильнее, чем у краев), шов в поперечном направлении оказывается намагниченным более равномерно. Это приводит к повышению достоверности метода.

 

 

Рисунок 1.4 – Намагничивающее устройство по авторскому свидетельству № 1196746

 

С уменьшением  расстояния между концентраторами  магнитной индукции создаваемая  ими напряженность поля вначале  возрастает, достигая максимального  значения при l=4...5 мм, а затем убывает. При описанном выше способе магнитографического контроля максимальное значение напряженности намагничивающего поля ограничивается шириной шва: если расстояние между рабочими гранями концентраторов магнитной индукции будет меньше, чем ширина шва, то на сигналограмме будут наблюдаться помехи, величина которых может превосходить сигналы от недопустимых дефектов. В [51] предложено расстояние между рабочими гранями концентраторов магнитной индукции  в НУ установить 6 - 8 мм, а при контроле судить только о качестве участка шва, находящегося в плоскости симметрии валика  и его окрестностях (± 2 мм), т. к. по статистическим данным около 90 % дефектов сплошности располагаются в плоскости симметрии шва. О качестве остального шва можно судить и по результатам традиционного способа магнитографического контроля: шов у краев намагничен обычно достаточно для уверенного обнаружения дефектов. В [6] предлагается концентраторы магнитной индукции расположить на расстоянии 4 ¸ 5 мм друг от друга, и перемещать вместе с НУ вдоль шва, ориентируя ось симметрии подмагничивающей системы под углом не более 10° к продольной оси шва. При этом магнитная лента располагается с противоположной стороны шва.  В этом случае могут обнаруживаться непровары величиной 5 % и более от толщины основного металла.

Описанные выше способы магнитографического  контроля предназначены для обнаружения  протяженных дефектов в шве (трещин, непроваров, подрезов, цепочек пор). Чувствительность метода при этом максимальна, т. к. вектор напряженности намагничивающего поля перпендикулярен направлению распространения дефекта. Локальные дефекты (одиночные поры, шлаковые включения) не имеют такой преимущественной ориентации: в плоскости изделия они имеют округлую форму. Чувствительность контроля реальных сварных швов на наличие таких дефектов составляет 80 ¸ 100 % от толщины основного металла.

повысить чувствительность контроля швов на наличие пор и шлаковых включений можно, если шов намагнитить под углом к его продольной оси [52]. При этом, вследствие снижения размагничивающего фактора сварной шов окажется намагниченным значительно сильнее. Максимальная амплитуда сигнала, обусловленного дефектом, будет иметь место, если ленту считывать вдоль линии намагничивания (направление поляризации ленты).

Идеальные условия для обнаружения одиночных  пор и шлаковых включений будут  созданы, если шов вместе с прижатой к его поверхности лентой намагничивать  вдоль продольной оси [4]. При этом приблизительно в 4¸5 раз повышается чувствительность контроля, отсутствуют помехи обусловленные валиком шва, в 20 ¸ 25 раз снижается потребляемая мощность, получается сигналограмма, удобная для расшифровывания и дальнейшей обработки.

 

 

 

Рисунок 1.5 – К пояснению способа магнитографического  контроля по авторскому свидетельству  № 1633349

Традиционный  метод магнитографического контроля характеризуется также низкой разрешающей  способностью: цепочку локальных  дефектов  трудно отличить о непровара  переменной величины. Для повышения  разрешающей способности метода в [4] предложено контролируемый объект намагничивать вдоль направления распространения цепочки пор (во многих случаях ориентация дефектов известна), а считывание записи с ленты осуществлять вдоль линии намагничивания. При этом разрешающая способность метода возрастает в 10¸40 раз, удается различить две находящиеся под краской или заполненные шлаком поры наружной поверхности даже в том случае, если они перекрываются.

Повышение разрешающей способности метода в этом случае можно объяснить  следующим. При режимах, обеспечивающих высокую чувствительность метода, поля локальных дефектов оказываются  вытянутыми в направлении, перпендикулярном вектору напряженности поля. Линии  равных значений тангенциальной составляющей полей пор и шлаковых включений  имеют вид эллипсов, большие оси  которых ортогональны направлению  намагничивания. При намагничивании вдоль цепочки пор поля дефектов перекрываются при меньшем расстоянии между дефектами, чем при намагничивании в поперечном направлении.

Для повышения  чувствительности контроля изделий, когда  амплитуда полезного сигнала  незначительно превышает амплитуду  сигнала от наибольшего допустимого  дефекта, а фон помех меньше сигналов от наибольшего допустимого дефекта, в [53] предложен следующий способ магнитографического контроля. Перед оценкой качества изделия на магнитограмме, ленту намагничивают по участкам с равными по амплитуде помехами дополнительным полем, направление которого совпадает с направлением поля рабочей напряженности, а величина меньше суммы поля рабочей напряженности и поля от наибольшего допустимого дефекта. При осуществлении этого способа (рисунок 1.5а) поляризованная магнитная лента, прижатая к изделию, под действием поля рабочей напряженности Н_р перемагничивается по сплошной кривой OCD. При этом участки ленты, на которые воздействуют также поля помех Н_п, меньше поля наибольшего допустимого дефекта Н_пd, перемагничиваются по сплошной кривой OCEF , а участки, на которые действуют поля недопустимых дефектов Н_d - по кривой OCEJGH₁. Затем на ленту, снятую с объекта контроля воздействуют дополнительным полем напряженности Н_д, равным сумме поля рабочей напряженности и помех, меньших поля наибольшего допустимого дефекта Н_пd. При этом участки ленты, находившиеся только под действием поля рабочей напряженности, перемагничиваются по кривой DPCEF, а участки ленты, находившиеся под действием полей помех Н_п, по кривой FREF. Таким образом, контраст магнитной записи поля дефекта определяется отрезком H₁F (большим, чем в предыдущем случае). При традиционном же способе магнитографического контроля с использованием поляризованной магнитной ленты объект контроля вместе с лентой намагничивают полем рабочей напряженности Н_р (рисунок 1.5б). В этом случае  вся лента перемагничивается по кривой OCD, а ее участки, находившиеся под действием полей дефектов Н_d - по кривой OGH₁. Те участки, на которые воздействовало  внешнее поле и поля-помехи, перемагничиваются по кривой OEF. Тогда контраст записи  на ленте полей дефектов будет определяться отрезком  DH₁, а полей -помех - DF. Отношение амплитуд сигнал-шум будет равно DH₁/DF.