автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Разработка технологического обеспечения ультразвукового контроля монтажных сварных стыков арматуры железобетонных конструкций

Р Г 5 ОД

На правах рукописи

п л г * * П 'Г»ПО

2 а ¡¿¿и

ГУРОВА Галина Германовна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ МОНТАЖНЫХ СВАРНЫХ СШ08 АРМАТУРЫ ХЕЛЕЗОВГЧЯШЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность: 05.02.11 - Метода контроля и диагностики в

машиностроении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена и НИИ бетона и железобетона

'Научный руководитель - кандидат технических наук Вощанов А.К.

Официальные оппоненты - доктор технических наук с.н. с. Чабуркин В. Ф.

Ведунье предприятие - Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В. А. Кучеренко.

Защита диссертации состоится " 1998 г. на

заседании диссертационного совета Д 053.15.07 при Московском государственном техническом университет? им.Н.Э.Баумана по адресу: 107005. г. Москеа, 2-ая Бауманская, д. б.

•4

Ваш отвыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выедать по указанному адресу.

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. 3. Баумана.

Телефон для справок: 267-09-63

кандидат технических наук доцент Ремизов А. Л.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат тохн. наук, доцент

А.В.Коновалов

Подписано.к печати гч-Тираж 100 экз.

Объем 1С п. л.. Заказ 3 / Типография МВТУ им. Н. Э.Баумана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие промышленного и гражданского строительства неразрывно связано с обеспечением качества применяемых технологических операций при одновременном снижении ресурсоемкое™ возводимых конструкций. Сварка - один из основных, технологических процессов строительной отрасли, поэтому на сварные элементы расходуется более четверти используемого стального проката. Постоянное совершенствование сварочной технологии не исключает образования в соединениях дефектов, которые могут вызвать возникновение аварийных ситуаций. В связи с этим, нормами на строительные конструкции предусмотрен обязательный контроль качества сварных швов.

Одним из методов контроля является ультразвуковая дефектоскопия, развитие и внедрение которой в нашей стране осуществляется на базе разработок: НИИмостов ЛИИЖТа, ЦНИИТмаша, МВТУ им. Н.Э.Баумана, ИЭС им.Е.0. Патона и др. Однако, несмотря на ее преимущества, для арматур-но-сварочных работ железобетонных конструкций (НБК) возможность проведения ультразвукового контроля (УЗК) долго считалась сомнительной из-за периодичности профиля арматуры. В то же время дефекты в сварных, особенно монтажных, соединениях арматуры могут способствовать преждевременным разрушениям железобетонных сооружений. Это обусловило актуальность создания методов и средств УЗК, позволяющих с учетом специфики арматуры уверенно диагностировать качество ее монтажных стыков.

Диссертация содержит результаты двадцатилетних многоплановых исследований и разработок по УЗК сварных стыкав арматуры, проведенных при непосредственном участии или под руководством автора по государственным и отраслевым программам важнейших работ в строительстве.

Цель работы заключалась в снижении брака и повышении надежности монтажных сварных стыков арматуры ЯБК за счет технологического обеспечения широкого применения УЗК их качества в условиях строительства.

Методы исследования включали натурные обследования причин аварий ЖБК, аспекты общей й прикладной акустики, физическое и вероятностное моделирование' дефектов монтажных сварных стыков арматуры, экспериментальное моделирование условий эксплуатации стыков в ЖБК с проведением оценок с помощью УЗК их несущей способности, стандартные испытания. Принтом использовалось современное дефектоскопическое, испытательное оборудование и ЭВМ для обработки результатов методами математической статистики и корреляционного анализа. В ряде случаев работа выполнялась совместно с сотрудниками ИГТУ им.Н.Э.Баумана:докторами техн.наук Н.П.Алёшиным,В.Н.Волченко,кандидатами техн.наук А.К.Вощановым и Е.М. Комовым, а также сотрудникайи НИИЖБ: кандидатами техн. наук И. Е. Евгень-евым и А.М. Фридманом, инженерами 0.С.Черепановой, Е. Н. Бондарец и др.

. 1

Научная новизна работы заключается в следующем. Экспериментально обоснованы допустимые площади дефектов монтажных сварных стыков армат туры ЖБК для статических нагрузок при отрицательных температурах, малоцикловых и многократно-повторных нагружений, Установлено, что эти площади могут нормироваться с помощью определенных коэффициентов к допустимой площади аналогичных дефектов для статического нагружения при положи тельной температуре. ••

Исследованиями методами акустики и на экспериментальных моделях доказана эффективность УЗК сварных стыков арматуры в завис! "юсти от их типа по теневой или зеркально-теневой схемам. Выявленные закономерности влияния неровностей периодического профиля цилиндрического тела обеспечивают возможность расчета акустического тракта дефектоскопа для реализации УЗК в строительстве.

На основе анализа методами математической' статистики и теории вероятности создана система оценки качества монтажных сварных стыков арматуры, позволяющая по ослаблению ультразвукового сигнала от дефектов дифференцировать их по степени пригодности к эксплуатации в ЖБК.

Практическая ценность заключается в реализации основных положений работы в нормативных и рекомендательных документах, в разработке и организации изготовления и внедрении специализированных ультразвуковых дефектоскопов: (УЗД-МВТУ, "Арматура I" и "Арматура 2"), пьезоэлектрических преобразователей (ПЗП) и устройств для их фиксации на арматурных стержнях, создании методологической базы по работе с этими приборами, организации обучения УЗК операторов-дефектоскопистов строительных организаций. Внедрение результатов работы осуществлено в масштабах отрасли при сооружении ГЗС, АЭС, гражданских, общественных и промышленных объектов. ,

На защиту выносятся следующие положения работы.

- обоснование допустимой площади дефектов в монтанных сварных стыках арматуры для нормальной эксплуатации ЕБК при положительной и отрицательной температурах, малоцикловых и шогократно-повторныя наг-ружениях;

- основные параметры УЗК монтажных сварных стыков арматуры по теневой и зеркально-теневой схемам с эмпирическими формулами расчета их акустического тракта; • .

- методология УЗК монтажных сварных стыков арматуры на базе обоснованных бракоиочных уровней оценки несущей способности и при эд~ ности стьлсов к эксплуатации в &БК;

- основные эксплуатационные характеристики средств УЗК монтажных сзарных стыков арматурм, обеспечивающие оперативность проведения и достоверность его результатов в условиях строительства.

Апробация работы проведена на конференциях, симпозиумах,, совещаниях и семинарах; в частности на V Всесоюзной конференции по сварке в строительстве, на Всесоюзных координационных совещаниях по бетону и железобетону в Москве, Волгограде, Куйбышеве и др.; ее результаты экспонировались на ВДНХ.

Публикации осуществлены в 17-ти печатных работах, в том числе в 2-х патентах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы (125 наименований) и двух приложений. Основное содержание изложено на 140 страницах машинописного текста, включающих 18 таблиц, и иллюстрировано 79 рисунками.

. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проанализированы крупные аварии ЖБК, возможные методы контроля качества монтажных сварных стыков арматуры, сформулированы задачи и показаны основные положения методик исследований.

Анализ происшедших за последний десятилетия аварий ЖБК, проведенный по материалам А. Н. Шкинева и результатам обследований с участием автора, показывает, что одной из их основных причин явилось неудовлетворительное качество сварных монтажных стыков арматуры. Так в процессе строительства и начального периода эксплуатации имели место обрушения покрытий меланжевого комбината и кузнечного цеха автомобильного завода, каркасов десяти и пятнадцати этажных жилых зданий, ферм цехов сталепроволочного и машиностроительных заводов, колонн конвейерных галерей и др. Характерные дефекты стыков - шлаковые включения, несплавления, поры, трещины, подрезы. Особенно катастрофичное положение выявилось при проверке последствий землетрясения в северных районах Армении. Выборочный контроль показал, что только 1,535 из монтажных сварных стыков арматуры являлись годными, в остальных наблюдались указанные дефекты, вызвавшие снижение несущей способности на 50-8056. В связи с этим в действующие нормативные документы введены Требования по контролю качества монтажных сварных стыков ^арматуры, данные о котором должны содержаться в сертификате на ЖБК.

В настоящее время в основном, применяются монтажные стыки арматуры, сваренные в инвентарных (медных или графитовых) формах (типы С5-Й3) и на остающейся, скобе-накладке (типы С14-С19). Начали находить внедрение стыки, выпотиенные комбинированно в инвентарных формах на остающейся скобе-накладке (типы С24-С29). При этом применит ванную и дуговые (ручную и полуавтоматическую) способы сварки стеряней арматуры разных классов из тех или иных марок стали.

Неудовлетворительное качество указанных стыков предопределяется наружными и внутренними дефектами, причинами образования которых являются: нарушение технологии сварки, некачественные сварочные материалы, неправильная сборка под сварку, износ или несоответствие размеров инвентарных форм и скоб-накладок диаметрам стержней, низкая квалификация сварщика и др. Своевременное выявление внутренних дефектов по данным Н.П. Алешина, А.М.Фридмана, В.Я.Дулькина и др. возможно только неразрушащими методами контроля. Анализ частоты их появления, проведенный совместно с А. К. Вощановым и Е. М.Комовым, показывает, что в стыках типов С5-С13 наиболее распространены непровар корня или несплавление по разделке - 48% от общего числа дефектов, шлаковые включения составляют - 35%, поры - 14%. трещины - 3%; в стыках типов С14-С19 и С24-С29 непрогары и несплавление шва всуречаются в 58% случаях, шлаковые и неметаллические включения - в 28%, поры - в 11%; трещины - в 3%. В.Н.Волченко и Н. П. Алешиным предложено оценивать дефекты в монтажных стыках по показателю £ , равному отношению их суммарной площади в поперечном сечении стержня к его номинальной площади. Математической апроксимацией по экспоненциальному закону установлено, что в сварных стыках арматуры в основном образуются дефекты с £ - 20%.

До недавнего времени основным способом контроля монтажных сварных стыков арматуры являлись выборочные разрушающие испытания образцов-свидетелей. Однако, практика свидетельствует, что качество этих образцов в силу многих технологических и психологических факторов, не может достоверно, оперативно и экономично характеризовать качество реальных стыков. Более прогрессивный в этом отношении неразрушающий радиографический контроль в массовом строительстве широкого распространения не получил в виду высокой стоимости и повышенных требований к технике безопасности.

В то же время работами И.Н.Ермолова, В. Г. Щербинского, Н.П.Алешина, А. К. Гурвича и др. доказано, что внутренние дефекты, характерные для монтажных сварных стыков арматуры, уверенно выявляются и оцениваются с помощью УЗК. Более дешевый и производительней радиационных методов он не уступает им по чувствительности, безопасен н дает возможность проверять 100% всех соединений при высокой оперативности и портативности используемой при этом аппаратуры. Однако, геометрические особенности арматуры и формирования швов каждого типа ее монтажных стыков, характер, ориентация и допустимость в них различных дефектов накладывают свои требования на осуществимость и помехозащищенность УЗК. В связи с- этим в диссертации реыачись следующие задачи: изучение влиышн на несущую способность и разработка норм допустимос-4

ти внутренних дефектов в монтажных сварных стыках арматура; обоснование основных параметров УЗК монтажных сварных стыков арматуры; разработка технологии и средств для УЗК монтажных сварных стыков арматуры.

Для решения указанных задгл проведен комплекс исследований с использованием ранее показанных методов.

Во второй главе обоснованы для монтажных сварных стыков арматуры допустимые площади внутренних дефектов с позиций анализа их влияния на несущую способность при разных условиях эксплуатации &БК.

Прочностные характеристики бездефектных монтажных стыков арматуры типов С5-С19, выполненных с использованием рациональных параметров сварки, по данным Г.И.Евстратова, Ю.Д. Быченкова и др.. при статических и малоцнкповкх нагругениях. как правило, находятся на уровне характеристик исходной арштурной стали. " Так пониаение температуры вызывает повкзение пределов текучести и прочности при некотором снижении пластичности. Однократное дина&ическое нагрусонио обусловливает прочность визе'статической. При 100 циклах переменных нагрузок падение прочности составляет около 4%. а при 1000 "циклах могет достигать 13-15%. Исследования вьшосливости указанных стыков, проведенные С. В.Поляко-. выа, ©.Б.Бобровым, I.У.Гииервер'том и др., свидетельствуй1, что она значительно (на 25-70%) нияе выносливости самих арматурных стержней, так как на ига оказывает влияние подготовка к сварке, конструктивные особенности, точность сборки, несоосность и перелом осей и соотношение диаметров стыкуемых стержней, плотность прилегания к ним поверхностей инвентарных форм, скоб-накладок и т.д. Аналогичные закономерности получены автором и для бездефектных стыков типа С25.

В работах И. И. Макарова, А. К. Вощанова, Е. Ц. Кошва, А. И. Фридмана, В.А.Недникова и др. отмечается, что краевые дефекты (непровары, несплавления. трещины в- корне или боковой части шва) опаснее в 2-4 раза центральных дефектов (пор, Ёшаковых и неметаллических вклпчений), находящихся внутри шва. Тем не менее для стыков типов С5Ч!Ю проводились исследования несущей способности только с центральными дефектами, так как краевые выявляется визуально и для них УЗК но требуется. Испытания Солее, ста образцов на статическое растяжение с последующим измерением площади смоделированных дефектов позволили получить для этих стеков уравнения связи с £ их относительной прочности. Установлено. что минимально допускаемым нормам пределу прочности стыков, сваренных в инвентарных формах, соответствует пороговое значение -20%.' При аналогичных испытаниях образцов стыков типов С1.4-С19 и С24-С2Э изучалось влияние как центральных, так и краевых дефектов. Измерение их площади с учетом такого дифференцирования в более, чем

5

доухста изломах, позволили получить регрессионные зависимости, показавшие, что в этих стыках минимальному пределу прочности у центральных дефектов соответствует примерно в 1,5 раза большее значениечек у краевых. Однако при некотором ужесточении требований к качеству для упрощения технологии контроля фактор влияния местоположения дефектов все же был исключен и установлена обобщенная регрессионная зависимость влияния £ на прочность стыков, аз которой следует, что для типов С14-С18, С24-С29 - 2ГХ

В то же время известно (Я. М. Потак, Л. А. Копельман, Н. А. Махутов, В.И.Труфяков и др.), что помимо ослабления сечения шва, дефекты, яв- ■ ляясь концентраторами напряжений, вызывают местное повышение уровня и неравномерность распределения главных напряжений, объемность напряженного состояния. Локгчизуя деформацию в ограниченном объеме материала они уменьшают уровень пластичности и вязкость металла, предопределяют его охрупчивание и увеличение скорости деформирования. Этим вызывается склонность сварных стыков арматуры с дефектами к хрупкому, малоцикловому и усталостному разрушениям.

Испытания образцов стыков типов С5 и С15 при отрицательных температурах показали, что в большинстве сл, чаев до температуры -40°С если площадь дефектов не превышает , у ни* на&людаются вязкое и квазихрупкое состояния и прочность не меньше, чем при положительной температуре. При понижении температуры до -60 С в основном возникает хрупкое состояние, при котором имеет место падение прочности примерно на. 1056. Испытания при переменных нагрузках близких к циклическим. позволили установить, что в области малоцикловых нагруяений от 1 до 1000 циклов эти же стыки качественные и с дефектами, разрушаются по основному металлу практически при. одинаковых значениях I напряжений. После 1000 циклов характер разрушений меняется и они в основном проходят по сечению, совпадающему с дефектом. В то же время прй дефектах с ^ до 10% долговечность стыков почти не уменьшается, а при дефектах с £>20% при N » 2-106 циклов * практически вдвое снижается их условный предел выносливости.

При обосновании по полученным результатам норм допустимых дефектов использовалась модель В. Н. Волченко. в которую заложены вероятность появления дефекта размером X = £ и вероятность потери работоспособности соединения, вызванной появлением этого^ дефекта. Установлено, что разброс значений прочности соединения у - при фиксирова ном размере дефекта, подчиняется нормальному закону с математическим ожиданием ГПу и средним квадратичным отклонг чшм . Вероятность Я(у) снижения прочности соединения ниже нормативного значения описывается 6 ■ '

Ун -(Ы-ИЬД« как Р(у)= -1—1 } -С|у

-оо

а функция плотности вероятности появления соединений с прочностью ниже нормативной .4"п(х) как

где ^-р(У.)-плотность вероятности появления дефекта размером X •

Нормы допустимых дефектов стыков арматуры устанавливались с учетом вероятностей перебраковки и недобраковки е£ Л . В этом слу-

ОО оо и

чае: = Нр(*)с*я -¿*„ (*)<**; = £*п(*)с!.х

В зависимости от нормативного размера дефекта Х°=£н изменяются величины и соотношения и Для особо ответственных конструк-

ций недобраковку приближают к нулю, что приводит к росту перебраковки. Для монтажных сварных стыков арматуры нормативный размер дефекта для статической нагрузкй выбран из-у.словия минимума (ЭЕ^+Эе^) и принят равным что соответствует точке пересечения минимального нормативного предела прочности с линией регрессии б = Ошибки оценки при этом примерно равны и составляют Я^-З^з 0,035. Зтс позволило с той же вероятностью назначить для стыков, экплуатируемых при: отрицательных температурах ^ н * 9 й п • мал°ЦИ1и10вы)< нагруясениях -" : усталостных (многократно повторных) нагруяениях - £ц = 0,. Данные предельно допустимые размеры дефектов взяты за основу при дальнейшей разработке методик УЗК~и соответствующих нормативно-рекомендательных документов.

В третьей главе обоснованы эффективность и основные параметры теневой и зеркально-теневой схем УЗК монтажных сварных стыков арматуры.

В настоящее время арматуру классов А-П и выше изготавливают периодического профиля с высотой выступов 1,5-2,5 мм в зависимости от диаметра <АН стержня. Это затрудняет ввод в него ультразвуковых колебаний из-за возникновения помех, мешающих выделению полезного сигнала от дефекта в стыке. Ограниченная цилиндрическая поверхность стержня также накладывает жесткие требования к помехозащищенности метода.

Изучение многих схем УЗК и вариантов ввода ультразвуковых колебаний в арматурный стержень показывает, что эффективными являются: для.стыков типов С5-С13 теневая, а для стыков типов С14-С1Э и С24-С32 зеркально-теневая схемы с'использованием излучающего и приемного наклонных ЛЭП. Компенсация неровностей профиля осуществляется" густой акустической смазкой. Исследованию теневой и зеркально-теневой схем контроля посвящены работы Д.С.Шрайбера, И.Н.Ермолова. Л.М.йблоника, Б. А. Круглова, А. К. Гурвича и др. ■ Анализ показывает, что для УЗК мон-' 7

тайных сварных стыков арматуры по этим схемам целесообразен амплитудный метод, при котором признаком наличия дефекта является ослабление полезного сигнала. Однако чувствительность контроля, помимо таких традиционных факторов, как длина волны X, диаметр пьезоэлеглента 2Q, частота колебаний § расстояние L между ПЗП и т.д.,зависит от возникающих из-за периодичности профиля флуктуации на приемном ПЗП. Моделированием профиля арматуры в виде совокупности неровностей синусоидальной 'формы, чередующимися гладкими участками, установлено, что ультразвуковые волны в основном вводятся в стерненъ только на участках впадин, профиля и рассеиваются на его выступах. При этом происходят потери энергии напрямую зависящие от геометрических параметров профиля. Условием стабильного ввода ультразвуковых колебаний в арматурный стержень является соблюдение соотношения: u ^ -Ь • cos р

где: "Ь - шаг профиля, jb - угол падения ультразвуковой волны.

С учетом данного условия и соизмеримости диаметра арматуры с1ис диаметром ультразвукового пучка, размеров дефектов 26с диаметром 20. для рассматриваемых сварных стыков разработана эквивалентные схемы расчета акустических трактов теневой нзеркг"ъно-теновой схем'УЗКГИх анализ позволил выявить также необходимость учета искажений, возникающих из-за расфокусировки ультразвукового пучка на цилиндрической поверхности арматуры и зависящих от соотношения с1ц и 2 а ,

Экспериментальные исследования, проведенные на моделях центральных дефектов - "боковое сверление" для стыков типа С5-С13 позволили определить для теневой схемы эмпирическую зависимость

Ag /Ао = е

где А о и Ag - соответственно амплитуды сигналов без дефекта и. с дефектом; Z - приведенное (по эквивалентной схеме) расстояние между излучающим и приемным ПЗП; к '- коэффициент учета потерь энергии и искажений ультразвукового пучка, зависящий от диаметра стержня.

Установленные значения к позволяют предложить данную формулу для расчета акустического тракта при центральных дефектах с. погрешностью но более 7-10% как по теневой, так и по зеркально-теневой схемам, в том числе, в области размеров Ь ? О, ldH. УЗК следует осуществлять при j» 1,8-2,5 Мгц и 2 О.» 12-18 мм, обеспечивающих надежный ввод*ультразвуковых колебаний и■максимальный уровень чувствительности. Для идентификации при УЗК стыков типов С14-,С19 и С24-С29 экспериментально исследована.их модель-"сегментная прорезь".Установлено, что в этом случае для зеркально-теневой схемы точнее эмпирическая формула, .

Ag/A0 = i - k&VAz

для которой результаты стабильны при /=1,8 МГц и 2а = 13 мм.

Широкая номенклатура диаметров арматуры обусловила, согласно дан-. ным Н.С.Урмана, оценку влияния кривизны ее поверхностей на помехоустойчивость акустического тракта ультразвука. На специальных образцах с проверкой на реальных арматурных стержнях выявлено, что без большой потери чувствительности можно принять единые ради, сы кривизны для широких диапазонов диаметров арматуры.

В четвертой главе представлены основные положения методик УЗК монтажных сварных стыков арматуры, регламентирующие технологию контроля в производственных условиях.

В соответствии с принятыми схемами УЗК признаком наличия дефекта является кореллированное с его площадью ослабление амплитуды прошедшего сигнала. Анализ показывает, что при этом наибольшая чувствительность достигается при ее эталонировании на испытательных образцах," выполненных в виде бездефектных стыков, идентичных стыкам реального' объекта. Соблюдение условий равновероятности обнаружения центральных и краевых дефектов, возможности их распознования при необходимости дифференцированной оценки требует прозвучивания сечения всего стыка.

Экспериментально установлено, что для стыков типов С5-С13 эффективной является такая установка ПЭП по теневой схеме, при которой соосны боковые лучи диаграммы направленности с уровнем 0,7 и 0,8 от максимума при углах призм из оргстекла, равных 50 и 53 соответственно для стержней с с1ц - 32-40 им и с1н* 20-28 мм. В результате расстояния между зафиксированными в систему ПЭП составляют Ьг = 50+1,5с1цИ 50+2,5 ¿ц соответственно для горизонтальных стыков типов С5-С7 и вертикальных - С8-С10,- Исследования при контроле десятков образцов с <1н*до 40 ми с искуственными ("боковым сверлением" и "сегментной прорезью") и естественными (порами, шлаковыми включениями н непровараки)дефектами показали, что они независимо от местоположения уверенно выявляются при смещении. всей системы ПЗП в пределах +0,4Ьгили + от оси симметрии стыка. Минимальный размер дефекта

• определяется средним квадратичным отклонением разброса амплитуд сигналов и крутизной зависимости "7'амгШтуда-дефект'\ Величина дефск-

• та носит вероятностный характер и для стержня с =* 40 мм равна эквивалентному плоскодонному отражателю .диаметром 7,3 ¡ш. Признаком наличия центральных дефектов служит максимальное ослабление амплитуды сигнала при синметричном расположи ли ПЗП относительно стыка и уменьшение ослабления при их приближении к нему, а краевых - максимальное ослабление амплитуды.сигнала при- расположении одного из ПЭП ' непосредственно у стыка и уменьшение ослабления при его удалении. Причем

9

дефект расположен в нижней части шва, если максимальное ослабление получено при приближении ПЭП к нижней части шва, и в верхней, если максимальное ослабление имеет место при приближении ПЗП к верху шва.

Методика контроля стыков арматуры типов С5-С13 включает установку требуемого расстояния между ПЭП и проверку их соосности со стержнем. Перед контролем стыков устанавливают уровень опорного сигнала А о на испытательном образце. После этого дискретно сканируют ПЭП относительно оси стыка и фиксируют амплитуды сигналов (А^А^А3) в трех точках, соответствующих максимальному приближению излучателя к шву, симметричному расположению ПЭП- относительно шва и максимальному приближению приемника к шву. Затем определяют разности амплитуд сигналов Л А = А0-А< г з и находят среднюю величину. Если она меньше браковочного значения; то стык считают качественным, если равна или больше -бракованным. Для УЗК стыков типов С14-С19 и С24-С29 по зеркально-теневой схеме эффективнее настройка по центральному лучу, однако в целом методика контроля аналогична. Ее проверка на.таких же образцах стержней, но сс1ндо 70 мм, показало более высокую чувствительность к выязляемости краевых дефектов. Они обнаруживаются при симметричном расположении ПЭП относительно оси стыка, а центральные дефекты - при смещении системы на ±0,3 Ь г или Ь р,.

Выбор количественных значений браковочных норм Д Д ^ослабления осуществлялся по установленным регрессионным взаимосвязям, полученным по результатам контроля и вскрытия сотен ^ыков рассматриваемых типов. Соответствующие значения для ^ц < £ни £н • включенные в норма-

тивно-рекомендательные документы, приведены ниже.

Типы стыков Схема КОНТг роля Номинальные диаметры арматуры, мм Браковочные уровни ослабления амплитуды, дБ

А Асг=_ ДАмц ДАХА ДАу

С5-С13, теневая 20-25 28, 32 36, 40 8 10 12 7 ' '9 11 4 5 . 6

С14-С19. зерка- 20-40 16 14 12

С24-С29 льно - 50,80 г 21 19 17

тене-

вая

Использование разработанной В. Н.Волченко интервальной оценки достоверности результатов УЗК и разрушающих испытаний, позволило ввести в производственную практику трехбальную систему определения качества сварных стыков арматуры. В связи с чем, с учетом условий эксплуатации, баллом 1 оцениваются бракованные соединения, для которых дА^Ар; баллом 2 - соединения, подлежащие усилению, для которых ДАб >Л А^О.бАв баллом 3 - годные соединения с Д. А с' 0,6 Л А б

В главе 5 приведены основные характеристики разработанных средств УЗК монтажных сварных стыков арматуры, обеспечивающих его реализацию.

Арматура ЖБК. разработанные методики УЗК ее монтажных сварных стыков и производственные условия их осуществления обусловили специфические требования к созданию практических средств контроля. Так, взамен дефектоскопов типа ДУК-66П в МВТУ им. Н. 3. Баумана совместно с НИИЖБ при участии автора вначале был разработан и освоен серийный вы^ пуск менее массивного и более (в 6-8 раз) чувствительного специализи- ' рованного дефектоскопа УЗД-МВТУ с автономным питанием и калиброванным аттенюатором для измерения амплитуд непосредственно в децибелах. Его производственное применение позволило уточнить методики УЗК. подготовить материалы для разработки нормативных документов, оценить достоинства и недостатки работы на монтаже. Б то же время, основное затруднение у операторов-дефектоскопистов вызывало определение наличия и характеристик дефектов по показаниям сигналов электронно-лучевой трубки. Поэтому дальнейшее развитие получили разработки дефектоскопов нового поколения "Арматур -Iй-и модернизированного за счет частичной автоматизации условий контроля "Арматура-2" с цифровой идентификацией дефектов. Их преимущества обеспечили им широкое внедрение в строительных организациях. К настоящему времени объем их поставок Апрелев-ским НПО "Прибор" составил около 1000 шт. При этом для УЗК по теневой "схеме арматуры с с!н = 28-40 мм принены ПЗП с радиусом кривизны контактной поверхности « 22 мм, для <1и» 20-25 мм с йп= 15,5 мм; по эеркально-'теневой схеме для всех диаметров арматуры - с Йп= 25-30мм. ■ Эти ПЗП снабжены фиксатором ввода ультразвукового пучка в центре впа-, дины между ребрами арматуры, что обеспечивает его фокусировку, повы-• шение уровня полезного сигнала и уменьшение помех.

Применяемые схемы УЗК сварных монтажных стыков арматуры предъявляют высокие требования к точнос-ч взаимной установки ПЗП на ее стержнях относительно' стыка. Для этого разработаны специальные механические устройства обеспечивающие: сохранение требуемого расстояния иеяду ПЗП и их взаимную самоцентровку относительно продольной'оси

И

стержня;возможность переменная системы ПЗП вдоль и вокруг контролируемого стыка; постоянное усилие прижатия к стержням. Одно из них представляет систему рычажного типа. Удобное и надежное в работе оно, однако, не позволяет в ряде случаев компенсировать большие переломы оси арматурного стержня в стыке. Другое устройство "МАСКА" (меха-но-акустическая система контроля арматуры) позволяет осуществлять пропорциональную подстройку положения центрального луча диаграммы направленности приемного ПЗП, независимо от неточностей сборки стыка и компенсировать разность диаметров стыкуемых стержней.

Для1 первоначальной настройки системы ;,сфектоскоп-ПЭП в качестве испытательного образца целесообразно использовать стер&еиь.ю малэ-углеродистой стали, в котором с периодом 8 км выполнены проточки глубиной Л - 2,1... 2,2 мм. При контроле в производстве; иух условиях испытательный образец долкен представлять стык Идентичный контролируемому стыку ло диаметрам свариваемых стершей, их классу и ¡¿арке стали, способу сварки и сварочным материалам, а также удовлетворять требуемым показателям прочности.

Акустические смазки для контроля |4знтааш сварных пгаш араату-ры должны обеспечивать хорошее смачивание поверхностей стергшя и преобразователей, заполнение впадин профиля, удерживаться при колтрала вертикальных стержней и легко удалятвея после контроля. Исследованиями установлено, что этим условиям в наибольшей степени по сравнении с солидолом, смазкой ТКЗ и др., отвечают разработанные смазки в виде 9-12%-го раствора карбоксиметилцеллюлозы в воде - тип КСС-1 для пода-жительных температур или с добавлением спирта - тип КСС-2 для отрицательных температур. Проверка показала, что за счет стабильных акустических свойств и вязкости они позволяет получить при толщина контактного слоя 2-8 мм ослабление амплитуды полезного сигнала на величину не более 2 дБ относительно его максимального уровня.

Одним из основных требораний к средствам УЗК является работоспособность при любой температура окружающей среды. По даннш А. К. Гурви-ча, И. Н. Ермолова и по результатам практического применения на монтаже установлено, что при отрицательных температурах (ниже -5'С) резко сни-кается чувствительность контроля. Однако нами установлено, что в диапазоне температур +20°С изменение показаний всех дефектоскопов типа УЗД-МВТУ и "Арматура" незначительно, при более низких температурах оно достигает 3-4 дБ, в связи с чем требуется их дополнительная защита из теплоизолирующего материала или местный подогрев. В работе так-' же даны рекомендации по компенсационному уменьшению при отрицательных температурах расстояния между ПЭП и приведены-соответствующие 12 ' . ' - .

значения для всех диаметров свариваемой на монтаже арматуры. Моделированием ряда эксплуатационных ситуаций также установлено, что при подогреве арматурного стержня до. температуры 50-60 С все отрицательные явления, связанные с потерей чувствительности ПЭП устраняются.

В приложениях показаны объемы внедрения результатов работы, включая основные положения нормативно-рекомендательной документации по УЗК монтажных сварных стыков арматуры; приведены конкретные примеры его применения на крупных строительных объектах, программа и учебный план организованных курсов по обучению оператсров-дефектоскопис-тов строительных организаций.Кроме того, дана оценка эффективности внедрения УЗК стыков арматуры с учетом рисков поставщика и потребителя.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Крупные аварии несущих конструкций ЖБК, вызванные дефектами монтажных сварных стыков арматуры, обусловливают актуальность широкого применения методов их оперативной диагностики, позволяющих получать достоверную информацию о качестве стыков в условиях строительной площадки. Анализ показывает, что этим требованиям в наибольшей степени отвечает УЗК наклонными пьезопреобразователями по теневой и зеркально-теневой схемам, соответственно осуществляемым для стыков, свариваемых в инвентарной форме, на остающейся скобе-накладке или с комбинированием инвентарной формы н скобы-накладки.■

2. Статистической обработкой экспериментальных данных установлено, что дефекты в монтажных стыках арматуры снижают их предел прочности до минимального нормативного значения при площадях 20 и 23% от площади сечения арматурного стержня в зависимости от типа стыков. Анализ показывает, что данные пороговые значения площадей могут быть приняты за базовые браковочные уровни качества не только при положительных температурах, но и использоваться с коэффициентами 0,9; 1,0 и О,'5 соответственно для нормирования дефектов при статическом растяжении при отрицательных температурах, при малоцикловых и многократно-повторных нагружениях.

3. Оценка качества монтажных сварных стыков арматуры по показаниям УЗК стабильно осуществляется на базе установленных регрессионных связей пропорционального ослабления ультразвукового сигнала от площади дефектов, достигающего при еэ минимальном браковочном уровне не менее 4 дБ. В связи с этим разработанные методики контроля базируются на измерении амплитуд опорного (начального) и прошедшего через стык сигналов и оценке по их разности площади дефекта. Для всех мон-.тажных сварных стыков арматуры выявлены браковочные уровни ослабления

13

амплитуд/ соответствующие браковочным уровням площадей дефектов.

4. Исследованиями на моделях и реальных арматурных стержнях установлены закономерности влияния их периодического профиля и замкнутого сечения на ослабление амплитуды ультразвукового сигнала, показывающие, что практически вся его энергия вводится через впадины профиля, а потери оцениваются с помощью соответствующих коэффициентов, которые должны учитываться при расчете акустического тракта ультразвука по реализуемым теневой и зеркально-теневой схемам контроля. С учетом численных значений этих коэффициентов разработаны эмпирические формулы расчета акустического тракта по обеим схемам.

5. Моделированием взаимодействия поверхностей наклонных ПЭП и. арматурных стержней установлено, что для широких диапазонов их диаметров возможно применение ПЭП с единой кривизной вогнутой контактной поверхности. Дополнение конструкции этих ПЭП специальным регулируемым упором позволяет гарантированно вводить ультразвуковые колебания в центре впадин периодического профиля арматуры и фокусировать их диаграмму направленности независимо от расположения ПЭП на стержне. .

6. Изучение выявляемое™ дефектов при УЗК монтажных сварных стыков арматуры показывает, что перемещение ПЭП при их фиксированном расположении относительно стыка арматуры в соответствии с применяемыми теневой или зеркально-теневой схемами контроля позволяет уверенно дифференцировать помимо площадей дефектов их месторасположения по сечению стыка. Разработаны специальные механические устройства, обеспечивающие с постоянным усилием прижатия требуемую точность установки и перемещения ПЭП йа арматурных стержнях. .

7. Исследования свойств смазок для создания акустического контакта между ПЭП и арматурными стержнями показывают, что стабильность и высокое качество обеспечивают разработанные смазки типа КСС-1, а при температуре ниже -50°С - типа КСС-2, содержащие соответственно в воде или спиртовом растворе 9-12% . карбоксиметилцеллюлозы. По сравнению с другими видами смазок (типа солидола, . ТКЗ и др.) они могут использоваться для широкой номенклатуры диаметров арматуры.

8. Для практической реализации УЗК монтажных стыков арматуры разработаны специализированные портативные дефектоскопы УЗД-МВТУ и "Арматура 1 и 2" с автономным питанием и калиброванным аттенюатором. При этом, последние дефектоскопы- не имеют электронно-лучевой трубки и осуществляют цифровую идентификацию наличия и характеристик дефектов. Моделирование условий эксплуатации дефектоскопов показывает, что для сохранения их высокой чувствительности при температуре ниже -20°С они должны бить помещены в футляр из теплоизолирующего материала.

14

9. Аналитически и экспериментально установлено, что для эталонирования чувствительности разработанного комплекса средств УЗК- монтажных сварных стыков арматуры в производственных условиях в качестве специальных образцов эффективнее использовать бездефектные стыки, сваренные по технологии эксплуатируемых соединений. Для первоначальной настройки чувствительности системы дефектоскоп - ЛЭЛ в лабораторных условиях могут быть применены как арматурные стержни, так и изготовленные из той же «арки стали образцы с периодическими кольцевыми проточками. Ослабление чувствительности этой системы при температуре ниже -20"С компенсируется уменьшением расстояния между ■ ПЗП или предвари-

■ тельным подогревом арматурных стержней в зоне контроля до температуре +50-60"С.

10. Статистической обработкой результатов УЗК и вскрытия монтажных сварных стыков арматуры установлена регрессионная взаимосвязь амплитуды ультразвукового сигнала и прочностных характеристик стыков,' позволяющая с 9056-най достоверностью оценивать по трехбальной системе их пригодность к разным условиям эксплуатации железобетонных конструкций с дифференцированием на "годные", "подлежащие усилению", "бракованные".

11. Проведенный комплекс исследований позволил обосновать технико-экономическую целесообразность широкого применения УЗК качества монтажных сварных стыков арматуры ЖБК. Полученные результаты включены в нормативно-рекомендательные документы, обеспечившие использование разработанных методик и средств при строительстве промышленных, общественных, гражданских и другйх объектов. Организованные при этом курсы Способствуют подготовке квалифицированных операторов-дефектоско-пистов по УЗК в масштабах отрасли. Указанное комплексное внедрение обусловило снижение вдвое брака при сварке Стасов арматуры и, как "следствие, повышение их надежности. Оценка эффективности с учетом рисков поставщика и потребителя показывает, что стоимость УЗК не менее, чем о два раза ниже стоимости разрушающих испытаний, а его производительность составляет более 100 стыков з смену.

; Основные положения диссертации отражены в публикациях:

1. Гурова Г. Г. Опыт применения ультразвуксвго контроля качества сварки арматуры //Повышение качества сварной арматуры хэлезобетонных конструкций. - М.: НШБ, 1977. - С. 57-61.

• 2. Фридман A.M. и др. Сварка порошковой проволокой и ультразвуковой контроль стыков арматуры железобетонных конструкций /А.М. Фридман, Г.Г.Гурова, Н.П.Алевши. А.К.Вощанов и др. //Промышленное стгоительст-во. - 1978. - N 2.-С. 12-14.

• " 15

3. Фридман A.M., Гурова Г.Г., Вощанов А.К. Ультразвуковой контроль качества сварных соединений арматуры железобетонных конструкций, выполненных ванной сваркой в соответствии с ГОСТ 14098-68: Пристендовьй листок ВДНХ. - М.: ГШ ЦИНИС. 1979. - 4 С.

4. Гурова Г.Г.. Павлов В.П., Уварова Л.Н. Опыт применения ультразвукового контроля качества сварной арматуры //Новые виды арматуры и ее сварка: Тез.докладов Всесоюзного совещания, г.Волгоград, 10-'2 сентября 1982 г. - И., 1982. - С.208-211.

5. Вощанов А. К., Комов Е. М., Гурова Г. Г. Повышение достоверности ультразвукового контроля сварной арматуры //Новые виды арматуры и ее сварка: Тез.докладов Всесоюзного совещания, г.Волгоград, 10-12 сентября 1982 г. - И.. 1982. - С.191-194.

6. Гурова Г.Г., Павлов В.П. Эффективность ультразвуковго контроля качества сварных соединений в зависимости от диаметра арматуры //Пути снижения материалоемкости и трудоемкости сварочных работ в строительстве: Тез.докл. V Всесоюзной конференции. г.Макеевка, 11-13 ноября 1983 г. - М.. 1983. - С. 78-80.

7. Гурова Г. Г. Ультразвуковой контроль качества сварных стыков арматуры железобетонных конструкций стыков арцатуры железобетонных конструкций на монтаже //Развитие методов и средств неразрушающего контроля параметров армирования железобетона: Тез.докл. Научно-координационного совета по бетону и железобетону. - г.Куйбышев, 1987. -С. 11-12.

8. Гурова Г.Г., Бирюков Е.Д.,Гусев С.В. Ультразвуковой контроль качества сварных соединений стержней арматуры железобетонных конс-■¡рукций на монтаже с использованием специализированного дефектоскопа "Арматура-Г: Пристендовый листок ВДНХ.- М.: ПЭМ ВНИИМС, 1987. -2 с.

9. Патент 1504615 (Россия). Способ ультразвукового контроля стыковых сварных соединений протяженных изделий с периодическими выступами. /Е. М. Комов, А. К. Вощанов, Г. Г. Гурова, Н. К. Егорова. - Заявл. 18.01.88 N 4365440/25-28 //Б. И. - 1989. - N 32.

10. Патент 1604003 (Россия). Вещество для создания акустического контакта при ультразвуковом контроле. /Е.М.Комов, Г.Г.Гурова, А. В. Землянский. - Заявл. 30.03.88. N 4421092/22-28 //Б. И. г 1990. - N3.

11. Гурова Г.Г. Организация работ по контролю качества сварки арматуры на монтаже. - М.: ЭИ АО "Росюгстрой", 1992, - С. 5-9.

12. Гурова Г.Г.Контроль качества сварных соединений арматуры и закладных деталей //Тез. докл. конференции межрегиональной ассоциации "Железобетон" - М., .1994.- С. 12-13.