автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Повышение достоверности ультразвукового контроля сварных соединений металлоконструкций железнодорожного транспорта

Введение

1 Анализ систем неразрушающего контроля сварных метал- 12 локонструкций железнодорожного транспорта и методов их оценки

1.1 Классификация типоразмеров сварных соединений ме- 12 таллоконструкций железнодорожного транспорта

1.2 Требования к качеству и функциональные возможности 16 действующих систем неразрушающего контроля сварных мостовых металлоконструкций железнодорожного транспорта в цикле "изготовление (строительство) - эксплуатация - ремонт"

1.3 Обзор и классификация методов оценки систем нераз- 21 рушающего контроля

1.3.1 Обнаружение дефекта как случайное событие

1.3.2 Основные понятия, используемые при оценке систем 25 НК, методы оценки и их классификация

1.3.3 Пример оценки систем НК по показателям эффектовности

1.4 Обоснование направлений повышения достоверности 42 ручного ультразвукового контроля сварных металлоконструкций железнодорожного транспорта. Постановка задач работы.

2 Обоснование и анализ показателей достоверности. Разра- 47 ботка процедуры их экспериментального определения

2.1 Обоснование показателей и критериев достоверности 47 методик ультразвукового контроля сварных соединений

2.2 Методы расчета и апроксимации оперативных и сравни- 55 тельных операционных характеристик по экспериментальным данным для определения показателей достоверности улыразвукового контроля

2.3 Разработка и проверка процедуры экспериментального 65 определения показателей достоверности

2.3.1 Разработка процедуры экспериментального определе- 65 ния показателей достоверности

2.3.2 Анализ результатов экспериментальной проверки по- 84 казателей достоверности

2.4 Выводы по главе

3 Исследование факторов, влияющих на показатели досто- 93 верности методик ультразвукового контроля сварных металлоконструкций железнодорожного транспорта

3.1 Анализ производственной среды, типичной для ультра- 93 звукового контроля сварных металлоконструкций железнодорожного транспорта

3.2 Обоснование факторов, влияющих на достоверность ме- 97 тодик ультразвукового ручного контроля

3.3 Исследование показателей достоверности методик ульт- 101 развукового контроля сварных металлоконструкций

3.4 Обоснование требований к процедуре аттестации мето- 106 дик ультразвукового контроля сварных соединений металлоконструкций железнодорожного транспорта

4 Разработка основных положений и процедур аттестации 107 методик ультразвукового контроля сварных соединений

4.1 Задачи и основные типы процедуры аттестации методик 107 ультразвукового контроля сварных соединений

4.2 Разработка алгоритма и принципов аттестации методик 114 ультразвукового контроля

4.3 Обоснование рациональной процедуры аттестации методик ультразвукового контроля сварных соединений

4.3.1 Выбор образцов штатной продукции и установление 119 действительной дефектной ситуации

4.3.2 Сокращение количества образцов штатной продукции 124 для аттестации методик ультразвукового контроля

4.3.3 Рекомендации по процедуре аттестации методик руч- 127 ного ультразвукового контроля сварных соединений

4.3.3.1 Выбор показателей и критериев достоверности

4.3.3.2 Выбор образцов и установление действительной де- 129 фектной ситуации

4.3.3.3 Проведение ультразвукового контроля, расчет пока- 130 зателей достоверности

4.3.3.4 Требования к программе аттестации методик ультра- 136 звукового контроля сварных соединений

4.4 Экспериментальное опробование процедуры аттестации

4.5 Выводы по главе

5 Разработка методических приемов повышения достоверности ультразвукового контроля сварных металлоконструкций железнодорожного транспорта

5.1 Обоснование способа эталонирования чувствительности 144 ультразвуковой дефектоскопии при контроле сварных соединений толщиной до 20 мм.

5.2 Обоснование способа эталонирования чувствительности 162 ультразвуковой дефектоскопии при контроле сварных соединений толщиной более 20 мм

5.3 Выводы по главе

Соединение различных деталей и узлов с помощью сварки широко применяется в различных отраслях - машиностроении, энергетике, судостроении, железнодорожном транспорте. На железнодорожном транспорте с помощью сварки изготавливают мостовые металлоконструкции, цистерны, рамы вагонов и локомотивов и другие детали. Ежегодно при изготовлении, монтаже и ремонте мостовых металлоконструкций, вагонов и локомотивов ультразвуковому контролю (УЗК) подвергают более 100000 сварных соединений [1]. Расчетный срок службы сварных конструкций железнодорожного транспорта без ремонта сварных соединений устанавливается 50-60 лет. При этом соединения эксплуатируются на открытом воздухе в интервале температур от - 60 до + 50°С, под воздействием знакопеременных и ударных нагрузок. Многие соединения работают в условиях сложного напряженного состояния и в режиме, близком к непрерывному, что принципиально отличает их от условий работы аналогичных сварных соединений в судостроении или энергетике. За время эксплуатации соединения испытывают от 2х106 до 40х106 циклов нагружения [2, 3, 4, 5, 6, 7].

По данным И.Л.Перлиса, трещины, непровары, поры и шлаковые включения могут снижать вибрационную прочность стыковых соединений соответственно на 50, 45, 26 и 22% [8].

Методы неразрушающего контроля (НК), в частности, ультразвуковая дефектоскопия, и сформированные на их основе системы НК широко применяются и позволяют обнаруживать недопустимые дефекты в металлоконструкциях железнодорожного транспорта. Тем не менее, причиной возникновения аварийных ситуаций, по данным Международного института сварки, в 21,3% случаев является наличие дефектов в сварных соединениях [9]. Поэтому обеспечение высокого уровня НК приобретает особую актуальность.

Специфика конструкций железнодорожного транспорта (условия работы, высокие требования к качеству, небольшая протяженность - 50% имеют длину до 300 мм, 70% - до 500 мм) обуславливает широкое применение методов ручного ультразвукового контроля (УЗК).

Поскольку многие сварные конструкции железнодорожного транспорта являются трещиноустойчивыми, возникает необходимость принятия решения о фактическом состоянии объекта по результатам контроля. При этом весьма важно обеспечить достоверность контроля и воспроизводимость его результатов в условиях применения различных методик и аппаратуры.

Проблемам качества НК и принципам оценки систем НК, базирующихся на различных методах контроля, посвящены работы В.Н.Волченко, А.К. Гурвича, З.С. Никифоровой, А.З. Райхмана, М.В. Розиной, JI.H. Ябло-ника, Н. Heidt, С. Nockemaim, К. Kobl, М. Morkovsky. С исследованием проблем качества НК связаны и международные программы: PISC III, Европейская методология аттестации НК (ENIQ).

Принимая данное А.К.Гурвичем определение системы НК, как совокупности вариантов одного или различных методов НК, используемых по определенной программе для оценки качества конкретных объектов [10], следует отметить, что возможность выполнения системой НК возложенных на нее функций напрямую зависит от того, соответствуют ли все составляющие системы НК предъявляемым к ним специальным требованиям. Уровень качества НК зависит от: чувствительности и информативности применяемых физических методов НК; надежности выполнения персоналом своих функций (особенно, при ручном контроле); технических характеристик и надежности средств контроля, включая средства метрологического обеспечения; уровня технологической документации, регламентирующей НК [11]. Для ручного контроля влияние последних двух факторов может быть кардинально снижено строгим соблюдением правил метрологического обеспечения, техническими и организационными мероприятиями. Применяемые методы НК реализуются методикой НК, которая является физической базой системы НК. Таким образом, совершенствование методики является одним из условий совершенствования системы НК. Естественно, что совершенствование или разработка новых методик должно завершаться их оценкой (аттестацией, валидацией).

Не только оценка и выбор методик, но и их разработка невозможны, если отсутствуют обоснованные показатели и критерии, характеризующие практическую полезность методики, ее качество. Среди таких показателей в литературных источниках упоминаются достоверность, надежность, работоспособность, эффективность. Однако подход к оценке методик с использованием этих показателей к началу настоящей работы не был достаточно исследован.

Надежность системы НК [12] определяется, прежде всего, возможностями самой методики по обнаружению недопустимых дефектов. Для обеспечения воспроизводимости результатов контроля необходимо правильно настраивать чувствительность, так как при УЗК допустимость или недопустимость обнаруженного дефекта определяют, в первую очередь, путем сравнения главной измеряемой характеристики дефекта с некоторым пороговым значением (уровнем чувствительности оценки) задаваемым при настройке аппаратуры. В связи с этим, одним из важнейших направлений совершенствования возможностей методик по выявлению недопустимых дефектов является обоснование способов эталонирования чувствительности с учетом типа и размеров соединения.

Таким образом, общими и актуальными направлениями повышения качества систем НК сварных соединений металлоконструкций, в том числе металлоконструкций железнодорожного транспорта, являются: обоснование принципов, показателей, критериев и процедур оценки методик НК; развитие способов настройки чувствительности, обеспечивающих воспроизводимость результатов контроля.

Разработка принципов оценки методик НК и совершенствование способов настройки чувствительности, направленные на повышение достоверности систем ручного УЗК сварных соединений объектов железнодорожного транспорта, является целью настоящей работы, актуальность которой вытекает из изложенного выше.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Классифицировать типовые сварные соединения металлоконструкций железнодорожного транспорта и проанализировать действующие системы их контроля.

2 Систематизировать и классифицировать возможные методы оценки систем НК.

3 Обосновать показатели достоверности УЗК и рациональные области их применения.

4 Разработать принципы и процедуры аттестации методик УЗК.

5 Обосновать способы настройки чувствительности при УЗК сварных соединений металлоконструкций железнодорожного транспорта.

Решению этих задач посвящены главы 1-5 настоящей работы. В результате проведенных теоретико-экспериментальных исследований на защиту выносятся следующие положения:

- классификация методов оценки систем НК по целевому принципу;

- аттестацию методик УЗК сварных соединений металлоконструкций железнодорожного транспорта возможно и достаточно осуществлять по показателям достоверности;

- экспериментальную оценку достоверности методик УЗК сварных соединений металлоконструкций железнодорожного транспорта достаточно выполнять на образцах сварных соединений с моделями дефектов;

- показатель достоверности при аттестации методики должен быть выбран с учетом условий эксплуатации металлоконструкции и уровня ответственности соединения из следующего перечня: вероятность правильного обнаружения (Рп); вероятность перебраковки (РоО; "символизирующая достоверность" (О); вероятность правильного обнаружения при заданной эквивалентной площади и/или условной протяженности (Рп при Бэ*, Рп при ЛЬ*);

- воспроизводимость эталонирования предельной чувствительности контроля швов сварных соединений толщиной более 20 мм повышается при применении расчетных диаграмм и преобразователя с едиными параметрами мнимого излучателя.

Результаты работы реализованы в нормативных документах, разработанных при участии автора: Приложении "Пособие по ультразвуковому контролю швов сварных соединений" к СНиП Ш-18-75 [13]; ОСТ 32100-87 "Ультразвуковой контроль швов сварных соединений мостов, локомотивов и вагонов" [14]; "Методических указаниях по проведению ультразвукового контроля качества сварных соединений элементов металлоконструкций и арматуры железобетонных конструкций с учетом специфики транспортного строительства" [15], "Технологической инструкция по ультразвуковому контролю монтажных сварных соединений моста ч/р Белая (проект 16514/1-КМ-З) дефектоскопом УД2-12" [16], проект ГОСТ Р "Аттестация методик неразрушающего контроля" [17].

5.3 Выводы по главе 5

5.3.1 Исследованы и определены значения эквивалентной чувствительности Ко для контроля сварных соединений различных диапазонов толщин стыковых и тавровых соединений для типового преобразователя, которые положены в основу ряда нормативных документов.

5.3.2 Выполненное сравнение способов определения отношения ДМ по разнице амплитуд эхо-сигналов от двугранных углов и по способу ЦНИИТМаш показало удовлетворительное совпадение результатов. Среднее значение отношения коэффициентов прозрачности для поверхности проката составляет минус 6 дБ.

5.3.3 Апробирование преобразователей с едиными параметрами мнимых излучателей, выполненное на АО „Невский завод", подтвердило: уменьшение погрешности определения известной эквивалентной площади плоскодонных отражателей при использовании преобразователей с едиными параметрами мнимых излучателей, следовательно, применение преобразователя с едиными параметрами мнимого излучателя повышает точность эталонирования предельной чувствительности по одному отражателю с использованием для определения необходимого значения коэффициента выявляемое™ расчетных диаграмм.

Заключение

1) Предложена классификация, в соответствии с которой, методы оценки методик или систем НК разделены на три группы, характеризующие:

• достоверность - выполнение системой НК (или ее составляющими) возложенных на нее функций, способность обнаруживать и (или) оценивать недопустимые дефекты;

• надежность, - способность системы НК сохранять во времени установленные показатели достоверности;

• эффективность, - технический и/или экономический эффект от применения системы НК.

2) Для аттестации методик УЗК сварных соединений металлоконструкций железнодорожного транспорта, вероятность образования дефектов различного типа в которых одинакова и недопустимые дефекты различного типа имеют идентичную потенциальную опасность, необходимо и достаточно использовать показатели достоверности. 1

3) Показатели: площадь под ROC кривой JP\\(Po\)dp0i> вероятность о перебраковки при заданной вероятности правильного обнаружения Poi при Рц*, вероятность правильного обнаружения при заданной вероятности перебраковки Рц при РоД среднее отношение правдоподобия от

Ро\

PlliPoi) ношение правдоподобия не позволяют разделить методики по

Pol достоверности. Показатели: вероятность правильного обнаружения Рц; вероятность перебраковки Роь вероятность правильного обнаружения при заданном характеристическом размере дефекта X*; достоверность D=l

Рю+ Рог) могут использоваться для аттестации методик УЗК сварных соединений металлоконструкций.

4) Аттестацию методик УЗК достаточно выполнять по результатам УЗК образцов объектов контроля с искусственными отражателями.

5) Аттестация методик ручного УЗК должна выполняться по результатам контроля операторов с уровнем квалификации, соответствующим уровню квалификации операторов, которые будут выполнять штатный контроль.

6) Используемые для аттестации методик УЗК показатели достоверности должны учитывать назначение методики. Для аттестации методик УЗК сварных соединений металлоконструкций железнодорожного транспорта применяются:

- показатели Рц или Рп при X*; если методика предназначена для УЗК объектов, возникновение аварийной ситуации в которых сопровождается убытками, несопоставимыми с убытками от перебраковки,

- показатель Б, если методика предназначена для УЗК объектов, в которых убытки, связанные с недобраковкой и перебраковкой соизмеримы,.

- показатель Р0ь если методика предназначена для УЗК объектов, вероятность возникновения аварийной ситуации из-за дефектов в которых не высока.

7) При контроле швов толщиной 10.20 мм чувствительность должна эталонироваться по боковому цилиндрическому отверстию, выполненному в середине контролируемой зоны сварного соединения, с введением поправок, полученных в диссертационной работе.

8) При контроле швов толщиной более 20 мм с целью повышения точности эталонирования предельной чувствительности по одному отражателю с использованием для определения необходимого значения коэффициента выявляемое™ Ка расчетных диаграмм применяются преобразо

171 ватели с пьезопластинами, имеющими разный размер в плоскости падения волны и плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

Полученные в процессе работы результаты и выводы реализованы в Приложении к СНиП Ш-18-75 "Пособие по ультразвуковому контролю швов сварных соединений"; ОСТ 32100-87 ''Ультразвуковой контроль швов сварных соединений мостов, локомотивов и вагонов"; "Методических указаниях по проведению ультразвукового контроля качества сварных соединений элементов металлоконструкций и арматуры железобетонных конструкций с учетом специфики транспортного строительства", М., 1990; "Инструкции по контролю стыковых и тавровых сварных соединений ультразвуковым дефектоскопом УД2-12" НИИ мостов ПИИТа, С-Пб, 1993, "Технологической инструкции по ультразвуковому контролю монтажных сварных соединений моста ч/р Белая (проект 16514/1-КМ-З) дефектоскопом УД2-12", СПб, НИИ мостов, 1997; проекте ГОСТ «Аттестация методик неразрушающего контроля», 1999, переданного на рассмотрение в Госстандарт России.

1. СНиП Ш-18-7 5. Строительные нормы и правила, правила производства и приемки работ. Металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1976.

2. Пути повышения надежности и долговечности механизмов и машин: Сб.трудов / Под ред.М.М.Машнева и др. Л.: Транспорт, 1969. -199 с.

3. СНиП 3.03.01 -87. Несущие и ограждающие конструкции — М.: Госстрой СССР, 1987.

4. Ефименко Ю.И. и др. Железные дороги. Общий курс: Учебник./ Ефи-менко Ю.И., Уздин М.М., Филиппов М.М. и др.; Под ред.М.М.Филиппова. 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1981. -343 с.

5. Технические требования на проектирование и изготовление конструкций локомотивных тележек М.:, ЦНИИ МПС, 1970.

6. РТМ 32 ЦВ 301 78. Инструкция по сварке и наплавке при ремонте вагонов и контейнеров. - М.: Транспорт, 1979. - С.199.

7. Перлис И.Л. Влияние технологических дефектов в стыковых швах на прочность сварных соединений. // Методы контроля качества сварных швов и конструкций: Сборник/ЛДНТП. Л., 1958. - С.20-31.

8. Трущенко A.A. Контроль качества сварочных работ // Курс лекций для специалистов-сварщиков. Киев Наукова думка, 1976 - 49с.

9. Ю.Гурвич A.K. Надежность неразрушающего контроля как надежность комплекса «дефектоскоп оператор - среда»: (В порядке обсуждения» // Дефектоскопия. - 1992 № 3. С. 14-23

10. П.Никифорова З.С. Обеспечение качества неразрушающего контроля // Информационный бюллетень / Белорусская Ассоциация неразрушающего контроля и технической диагностики. 1995. - № 5. - С.5-9.

11. Nockemann С. Allgemeine Technisch-Wissenschaftliche Gründsätze zum Nachweis der Zuverlässigkeit bzw.zur Validierung zerstörugsfreier Prüflingen // Schriftstück: DGZfP.- AZV-04-97.