автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Развитие магнитографического метода и повышение его эффективности при контроле качества сварных соединений

/// V /) ор^^

\ ' к

МОГШШВСКИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

рез ; ■■■•■ - .............."

•эсгаепие от"" 19 № Щу^ На правах рукописи

гонсу^л у ую степень ДОК ] 1

. " т^с/с^_______________з

Г" """" , ,. . .... ^ тг ту; с: К Р С ": '

Качалы-^ НОВЖВ Владшир Алексеевич

УДК 620.179.14

РАЗВИТИЕ МАГНИТОГРАФИЧЕСКОГО МЕТОДА И ПОВЫШЕНИЕ ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность: 05.11.13 -

Приборы и методы контроля природной среды, веществ,материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Н

г

Б Н

н

т

п

То

Н, Д

н

н н н.

н

Тр

(1) но

(1 ) 12

(2) Т2<0

(1 ) п1

(1 ) п2

(1 )

НТр(0-0)

н

я

теп?

н,

НоШ

Нп

Нз М

ь

с

С1 и с2

Ь1 и Ь2

- напряженность намагничивающего поля;

- тангенциальная составляющая напряженности поля;

- нормальная составляющая напряженности поля;

- тангенциальная составляющая напряженности намагничивающего поля;

- тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности валика шва;

- тангенциальная составляющая напряженности поля наружного валика шва на его поверхности;

- тангенциальная составляющая напряженности поля обратного валика шва на поверхности наружного валика сварного соединения;

- тангенциальная составляющая напряженности поля обратного валика шва на его поверхности;

- нормальная составляющая напряженности поля наружного валика шва на его поверхности;

- нормальная составляющая напряженности поля обратного валика шва шва на поверхности наружного валика сварного соединения;

- тангенциальная составляющая напряженности поверхности наружного валика шва;

- тангенциальная составляющая результирующего поверхности шва в плоскости его симметрии;

- напряженность импульсного поля;

- тангенциальная составляющая поля образца;

- напряженность поля, обусловленного дефектом;

- напряженность поля, действующего на дефект в шве;

- напряженность поля помехи;

- поле заданной напряженности;

- х-составляюющая поля дефекта;

- намагниченность;

- ширина шва в общем случае;

- высота валика шва в общем случае;

- высота соответственно наружного и шва;

- ширина соответственно наружного и шва;

поля на

поля на

обратного валиков обратного валиков

ф = Ъ/с

Ко=ь£ 2а

е

1

о

и

г

й р.

а

Р

1

у

= Ь+с

н

1.

в

Ь.

д д

кр

А

А д

к.обр. ^зд °п

иг

ш М

£

11

н н

шах

сл

- толщина основного металла;

- коэффициент формы валика шва;

/8с - радиус кривизны валика шва в плоскости его симметрии;

- расстояние между рабочими поверхностями концентраторов магнитной индукции;

- толщина немагнитной прокладки;

- толщина промежуточной пластины;

- толщина пластины со скосом кромки;

- разрешающая способность метода;

- расстояние от плоскости симметрии намагничивающего устройства;

- радиус дефекта;

- диаметр дефекта;

- глубина залегания дефекта от поверхности шва;

- угол намагничивания;

- угол считывания записи с ленты;

- длина дефекта наружной поверхности;

- длина дефекта внутренней поверхности;

- величина дефекта;

- амплитуда сигнала от дефекта;

- амплитуда сигнала, обусловленного валиком у краев шва;

- амплитуда сигнала от дефекта в контрольном образце; амплитуда сигнала от дефекта в изделии;

- поверхностная плотность "магнитных зарядов";

- линейная плотность "магнитных зарядов";

- минимальная величина дефекта, намагничивающего шов сильнее окружающего металла;

- порог чувствительности метода;

- напряжение заряда конденсатора;

- величина магнитного заряда;

- намагниченность насыщения;

- толщина КМИ;

- максимальная магнитная проницаемость;

- коэрцитивная сила ферромагнитного слоя ленты;

- коэрцитивная сила металла.

к' - коэффициент пропорциональности.

сигналограмм: по оси абсцисс I по оси ординат I

мм

0,05 мВ; 0,04 м8.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .................................................... 7

Общая характеристика работы.................................. 9

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ............. 17

1.1. Особенности соединений, выполненных сваркой плавлением........................................ 17

1.2. Влияние дефектов сплошности на работоспособность сварных конструкций............................... 20

1.3. Анализ исследований формирования магнито-статических полей дефектов в ферромагнитных изделиях.......................................... 23

1.4. Особенности обнаружения дефектов сплошности в сварных соединениях магнитографическим методом____ 36

1.5. Анализ.способов снижения порога чувствительности магнитографического контроля ферромагнитных

изделий........................................... 41

1.6. Анализ контрольных образцов для магнитной дефектоскопии..................................... 44

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЗОНЕ СОЕДИНЕНИЯ................................... 51

2.1. Расчет магнитостатического поля, создаваемого наружным валиком шва, на поверхности сварного соединения........................................ 51

2.2. Определение обобщенного параметра валика шва при магнитографическом контроле сварных соединений____ 62

2.3. Экспериментальное исследование магнитостатического поля наружного валика шва на поверхности сварного соединения........................................ 64

2.4. Расчет магнитостатического поля обратного валика

шва на поверхности сварного соединения............ 73

2.5. Экспериментальное исследование магнитостатического поля на поверхности соединения с учетом обратного валика............................................ 78

2.6. Исследование формирования магнитостатического поля остающейся подкладки в сварных соединениях........ 82

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТО-СТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПРОТЯЖЕННЫХ ДЕФЕКТОВ ПРИ КОНТРОЛЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.................................. 93

3.1. Расчет магнитостатического поля внутреннего дефекта на поверхности стыкового сварного соединения..........................................33

3.2. Экспериментальное определение областей качественно разной выявляемости дефектов в сварном соединении 111

3.3. Однозначность и неоднозначность обнаружения дефектов в шве.................................... 119

3.4. Обнаружение крупных протяженных дефектов в

сварных швах магнитографическим методом........... 128

3.5. Особенности формирования магнитостатических полей поперечных трещин в сварном соединении............ 132

Глава 4. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ КОМПЕНСАЦИИ ПОМЕХ ПРИ

МАГНИТОГРАФИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ ИЗДЕЛИЙ................. 137

4.1. Разработка способа компенсации помех, обусловленных валиком шва........................ 137

4.2. Экспериментальное исследование распределения случайных помех, обусловленных поверхностными неровностями, в зоне шва при магнитографическом контроле.......................................... 151

4.3. Разработка способов компенсации помех, обусловленных поверхностными неровностями, при магнитографическом контроле.......................................... 153

Глава 5. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ ВЫЯВЛЯЕМОСТИ ДЕФЕКТОВ

В СТЫКОВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ...................... 162

5.1. Снижение порога чувствительности магнитного контроля сварных швов на наличие локальных дефектов.......................................... 162

5.2. Повышение разрешающей способности магнитографического метода контроля изделий.............. 172

5.3. Снижение порога чувствительности контроля швов на наличие протяженных дефектов...................... 188

5.4. Снижение порога чувствительности магнитографического метода контроля изделий на наличие разноориентированных трещин....................... 221

5.5. Улучшение выявляемости дефектов в швах с грубой поверхностью...................................... 226

5.6. Контроль начального и конечного участков шва......231

5.7. Снижение порога чувствительности контроля изделий

в труднодоступных местах.......................... 235

5.8. Пути улучшения обнаружения крупных протяженных дефектов в сварных соединениях.................... 237

5.9. Расширение области применения магнитографического

метода контроля ................................. 240

Глава 6. РАЗРАБОТКА КОНТРОЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ МАГНИТОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ............ 252

6.1. Учет влияния параметров валика шва на выявляемость дефектов при магнитографическом контроле.......... 252

6.2. Учет влияния расположения дефекта по ширине шва

на его выявляемость при МГК....................... 257

6.3. Учет влияния обратного валика шва на выявляемость дефектов при МГК.................................. 260

Глава 7. РАЗРАБОТКА УСТАНОВОК И МЕТОДИКИ МАГНИТОГРАФИЧЕСКОГО

КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ.......... 262

7.1. Разработка установок для магнитографического контроля стыковых сварных соединений труб

Ф100-600 мм на наличие протяженных дефектов.......262

7.2. Особенности магнитографического контроля сварных соединений полотнищ и труб........................ 266

7.3. Разработка устройств для контроля гибов и сварных соединений труб ТЭЦ...............................270

7.4. Внедрение магнитографического метода для контроля стыковых сварных соединений труб.................. 271

7.5. Анализ и систематизация разработанных технических решений........................................... 272

Основные результаты и выводы................................. 286

Список использованных источников............................. 289

ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................. 314

Приложение I. Копии актов внедрения разработанных средств и

методик контроля.............................. 314

Приложение 2. Копии актов производственных испытаний

разработанных средств и методик контроля ..... 328

Приложение 3. Копии технологических инструкций по магнитографическому контролю сварных соединений ...... 331

Приложение 4. Параметры образцов, характеристики

намагничивающих устройств и магнитных лент----342

Приложение 5. Пример расчета экономической эффективности от

внедрения магнитографического метода контроля.. 350 Приложение 6. Оценка точности экспериментальных исследований. .355

ВВЕДЕНИЕ

Развитые страны, по данным В.В.Клюева, теряют ежегодно до 10% своего национального дохода из-за недостатков в качестве выпускаемой продукции. Годовые потери только от дефектов, приводящих к усталости металла, в США составляют более 100 млрд. долларов, а от коррозии - более 200 млрд. долларов. Убытки от недостаточно высокого качества машин и изделий в России значительно выше.

Надежность и долговечность сварных металлоконструкций во многом зависят от качества сварочных работ. Однако совершенствование технологических процессов сварки полностью не решает проблему повышения качества изготовляемых изделий, т.к. даже при отработанной технологии возможны различного рода дефекты. С целью дальнейшего повышения надежности сварных конструкций необходимо применять эффективные методы неразрушающего контроля. Поэтому в Республике Беларусь и СНГ намечено проведение целого комплекса работ, направленных на разработку новых и совершенствование существующих средств и методов неразрушающего контроля.

Широкое применение в промышленности нашли радиационные, акустические, магнитные, вихретоковые, тепловые и другие методы контроля. Магнитные методы основаны на обнаружении магнитных полей рассеяния, создаваемых несплошностями в намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов. Большой вклад в их развитие внесли ученые В.К.Аркадьев, С.В.Вонсовский, Р.М.Янус, А.Б.Сапожников, Н.Н.Зацепин, В.Е.Щербинин, Ф.Ферстер и др.

Магнитографический метод контроля ферромагнитных изделий на наличие неоплошностей впервые был разработан практически одновременно в СССР и ФРГ /1,2/. Его сущность состоит в следующем. Изделие вместе с прижатой к его поверхности магнитной лентой намагничивают, затем ленту снимают с объекта контроля и сканируют индикатором, преобразующим поле магнитной ленты в электрический сигнал, который подается на осциллограф. По виду сигналограммы на экране осциллографа дефектоскопа судят о наличии дефектов в изделии. Существенный вклад в развитие метода внесли А.С.Фалькевич, М.Х.Хусанов, В.С.Козлов, А.М.Шарова, С.П. Михайлов, О.А.Жолнерович и др.

Сразу после изобретения магнитографический метод хорошо зарекомендовал себя при контроле равнотолщинных участков ферромагнитных изделий. Однако затем была предпринята неудачная

попытка применить его без предварительных глубоких исследований при контроле сварных соединений с валиком шва, что едва не привело к дискредитации метода.

Магнитографический метод контроля, относящийся к магнитным, отличается высокой производительностью и экономичностью. Так, по результатам исследований ряда отраслевых ИМИ,затраты на контроль I м шва стальных листовых конструкций при магнитографическом методе в 2 раза ниже, чем при ультразвуковом и в 10 раз, чем при радиографическом, а время контроля I м шва ниже соответственно в 3 и 13 раз /3/. Однако несмотря на такие достоинства магнитографический метод при контроле сварных соединений применяется еще редко. Объясняется это во многом его высоким порогом чувствительности и низкой разрешающей способностью, отсутствием представлений о границах применимости метода, наличием помех, сложностью в ряде случаев расшифровки сигналограмм, трудностью определения предварительного режима намагничивания, отсутствием унифицированных контрольных образцов и др. Дальнейшее развитие теории и технологии магнитографического метода контроля стыковых сварных соединений позволит устранить перечисленные недостатки и создаст базу для расширения промышленного применения метода при контроле стыковых сварных соединений.

В результате выполненной работы значительно повысилась эффективность магнитографического метода контроля объектов из ферромагнитных материалов: разрешающая способность метода увеличилась в 10*40 раз в зависимости от размеров и глубины залегания дефекта и не превышает 2 мм, чувствительность МГК сварных соединений на наличие локальных дефектов (пор и включений), расположенных в корне шва,увеличилась в 4*5 раз и достигла 15*18% от толщины; порог чувствительности контроля реальных соединений на наличие протяженных дефектов, ориентированных вдоль шва, снижен до 5 раз и составил 8*10% при отсутствии подхода к обратной стороне шва и 5*6% при его наличии; практически исключено влияние ориентации дефекта (0<а<50° ) на амплитуду сигнала, обусловленного им, при магнитографическом контроле; затраты электроэнергии при контроле сварных соединений сократились более чем в 10 раз; в 50*100 раз уменьшилась масса намагничивающих устройств при обнаружении поверхностных трещин в ферромагнитных изделиях.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Важными задачами народного хозяйства являются увеличение срока эксплуатации изделий и объектов, предотвращение аварий энергетических установок и транспортных средств, экономия материальных и трудовых ресурсов. Этому во многом способствует применение неразрушающих методов контроля, позволяющих повысить качество выпускаемой продукии. Следовательно, повышение эффективности и расширение объема применения в промышленности экономичных методов неразрушающего контроля являются важными задачами современного производства. Одним из перспективных является метод магнитографического контроля (МГК). Он характеризуется высокой производительностью, наглядностью и экономичностью, не нуждается в предварительной зачистке поверхности контролируемого изделия. Однако весьма часто предпочтение все же отдается другим методам контроля несмотря на их низкую экономичность и большую трудоемкость.

Объясняется это во многом сильной зависимостью чувствительности МГК от ряда факторов ( размеров валика шва, ориентации дефекта, его вида и т.д.), высоким порогом чувствительности при контроле реальных сварных соединений, низкой разрешающей способностью метода, отсутствием точных данных о границах применения МГК, наличием помех от поверхностных неровностей и валика шва, сложностью в ряде случаев расшифровки сигналограмм, трудностью определения предварительного режима намагничивания и т.д. Так, могут не обнаруживаться протяженные дефекты величиной до 30% и более, поры и шлаковые включения величиной до 90-100% от толщины контролируемого металла, цепочку отдельных неоплошностей не всегда можно отличить от непровара переменной величины. Поэтому метод в основном применяется при контроле соединенийс благоприятными размерами валика шва, а устранение перечисленных выше недостатков позволит расширить объем его применения в народном хозяйстве.

Существующие в настоящее время устройства для реализации МГК характеризуются большими габаритами и массой, необходимостью изготовления дополнительных полюсных наконечников и использования мощных источников питания, что также ограничивает применение метода. Совершенствование средств МГК позволит осуществлять дефектоскопию труднодоступных мест, в том числе без извлечения контролируемых деталей из узлов, объектов,

находящихся во взрывоопасных местах, и т.д.

В данной работе исследования выполнены применительно к магнитографическому контролю сварных соединений труб и полотнищ изделий ответственного назначения из низкоуглеродистых и низколегированных, а в ряде случаев - средне - и высоколегированных сталей, но результаты могут быть распростране