автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Развитие методов, разработка оборудования и технологии ультразвукового контроля электросварных труб в процессе производства

На правах рукописи УДК 620.179.16

Ткаченко Андрей Акимович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ, РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ТРУБ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005549383

2 5 пап

Москва-2014

005549383

Работа выполнена в НИИНК АО «Интроскоп», Кишинёв, Республика Молдова

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: ГНЦ РФ ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Бобров Владимир Тимофеевич

Бадалян Владимир Григорьевич Качанов Владимир Клементьевич

Сазонов Юрий Иванович

Защита состоится «17» сентября 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр» по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачёва, 35, строение 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР».

Автореферат разослан/ /_ 2014 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

.Р. Кузелев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Приоритетными направлениями развития отечественной науки, техники и технологий является энергоэффективность, энергосбережение и рациональное природопользование, в связи с чем обеспечение эффективности, надежности и безопасности объектов добычи, транспортировки и потребления нефти, газа и продуктов их переработки, развитие энергетики, химической промышленности и других отраслей требует постоянного наращивания объемов производства качественных электросварных труб, являющихся основным звеном в структуре стоящихся магистральных и локальных продуктопроводов. По методу формирования сварного шва производимые электросварные трубы подразделяются на прямошовные, выполняемые контактной сваркой (сваркой давлением) и пря-мошовные или спиральношовные трубы, выполняемые электродуговой сваркой (сваркой плавлением). Трубоэлектросварочные агрегаты (ТЭСА) с непрерывным циклом производства в целом обеспечивают добротное исполнение последовательности всех операций производства, но отдельные элементы технологической линии нуждаются в постоянном совершенствовании.

Необходимым условием в обеспечении качества производства электросварных труб является применение комплекса методов неразрушающего контроля (НК) - ультразвуковых (УЗ), электромагнитных, магнитно-люминесцентных, радиационных и др. Основными задачами методов НК, применяемых на разных этапах производства, являются обеспечение своевременного обнаружения дефектов и оценка их параметров в ответственных зонах трубы: сварной шов, околошовная зона и концевые участки трубы, формирующие кольцевой сварной шов на стадии строительства трубопроводов. Каждый из применяемых методов имеет определённые достоинства и недостатки. Так, электромагнитный метод применим преимущественно для контроля тонкостенных труб, радиационные методы не выявляют недопустимые плоскостные дефекты с малым раскрытием и требуют применения защитных мероприятий от вредного радиационного излучения.

Ведущее место в решении обозначенных проблем по праву принадлежит ультразвуковому методу, который обеспечивает высокую скорость контроля и надежное выявление плоскостных и объемных дефектов сплошности как в зоне сварного шва, так и в концевых зонах трубы. УЗ автоматизированный метод практически безопасен в применении, позволяет контролировать трубы в широком диапазоне диаметров и толщин стенок.

Однако на момент начала исследований отсутствовали методология комплексного УЗ контроля сварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства, теория и методы обработки результатов контроля на базе информационных технологий, программное обеспечение и оборудование для автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов и краевых полос концов электросварных труб. В связи с этим потребовалось решить проблему развития методов, разработки оборудования и техно-

логии ультразвукового контроля электросварных труб в процессе производства.

В настоящей работе обобщены результаты исследований методов, разработки оборудования и технологии ультразвукового контроля электросварных труб, выполненные автором во ВНИИНК ПО «Волна» - НИИНК АО «Интро-скоп» в период с 1980 г. по настоящее время.

Цель диссертационной работы

Цель данной диссертационной работы состоит в решении проблемы повышения эффективности производства, достоверности ультразвукового неразруша-ющего контроля электросварных труб и надежности функционирования нефтегазопроводов.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методологию комплексного автоматизированного УЗ контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства.

2. Исследовать и разработать вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов труб.

3. Разработать метод выявления расслоений в стальных толстостенных трубах при щелевом способе ввода ультразвука.

4. Исследовать и использовать способы автоматического слежения за швом на основе исследования информативных сигналов сварного шва.

5. Разработать методологию и способы оценки характера дефектов сварного шва труб.

6. Разработать принципы построения, создать и внедрить в промышленность системы автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений и концов труб.

Научная новизна

1. Разработана методология комплексного автоматизированного УЗ контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства на базе информационных технологий.

2. Исследованы и применены вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов труб, разработан алгоритм оценки характера отражающей поверхности дефекта.

3. Исследован метод выявления расслоений в зоне концевых участков стальных толстостенных труб при щелевом способе ввода ультразвука с учетом резонансных явлений в слое контактирующей жидкости.

4. Разработаны способы и средства автоматического слежения за швом на основе исследования информативных сигналов сварного шва.

5. Разработана методология определения вида дефектов сварного шва корреляционным, вероятностным и комбинационным способами.

6. Разработаны принципы построения, созданы и внедрены в промышленность комплексы автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений и концов труб на базе информационных технологий.

Защищаемые научные положения

1. Разработанная методология комплексного УЗ контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства.

2. Вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов труб.

3. Метод выявления расслоений в зоне концевых участков стальных толстостенных труб при щелевом способе ввода ультразвука.

4. Способы и средства автоматического слежения за швом на основе исследования информативных сигналов сварного шва.

5. Методология и способы оценки характера дефектов сварного шва корреляционным, вероятностным и комбинационным способами.

6. Принципы построения и реализации аппаратно-программных средств. Созданные системы автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений и концов труб и результаты их внедрения в промышленность.

Методы исследований

Теоретические исследования проводились с использованием теории вероятностей квазиустановившихся случайных импульсных процессов, вероятностных и корреляционных способов обработки информации, элементов теории информатики. Расчетные соотношения получены аналитическим путем и проверены экспериментально. Обработка результатов измерений производилась с применением средств вычислительной техники и статистического анализа.

Метрологическое обеспечение базировалось на государственных и международных стандартах и нормативных документах, регламентирующих параметры специализированных пьезоэлектрических преобразователей, электронной аппаратуры и стандартных образцов электросварных труб. Надежность контроля подтверждена многолетней эксплуатацией разработанного оборудования, результатами сопоставительных испытаний и высокой оценкой качества продукции ряда металлургических предприятий на отечественных и международных конкурсах.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Разработанная методология комплексного УЗ контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства была реализована в разработанной и выпускаемой аппаратуре. Разработаны и внедрены в линии ТЭСА многоканальные установки: • НЗД-008 в количестве 4 штук на предприятии «ТЕПРО», г. Яссы, Румыния, предназначенные для контроля труб 0 219-279 мм с толщиной стенки 4-6 мм, выполняемых сваркой давлением, с неснятым внутренним гратом (A.c. СССР № 998942, № 1627973), что позволило ежегодно выпускать 80 -100 тыс. тонн электросварных труб;

• НКУ-108 и НКУ-108М в количестве 6 штук на предприятии «Хели-Тубе», г. Бухарест, Румыния для контроля спиральных швов труб 0 530 - 1620 мм с толщиной стенки 6... 12 мм в линии ТЭСА (А.с. СССР № 998942, № 1627973), поставленные по экспортному заказ-наряду. Проведенная модернизация производства позволила увеличить ежегодный объем производства качественных спиральношовных труб до 200 тыс. тонн;

• Интроскоп-KCIIIl и Интроскоп-KKTl на базе многоканального ультразвукового комплекса Интроскоп-01 в ОАО «Выксунский металлургический завод», предназначенные для автоматизированного УЗ контроля сварных швов и концов труб диаметром 219-530 мм, выполненных контактной сваркой. С целью существенного повышения достоверности контроля электросварных труб со снятым гратом заподлицо в 2007 г. выполнена системная модернизация установки Интроскоп-KCIIIl;

• комплексы Интроскоп-02.01 и Интроскоп-02.02, вошедшие в состав оборудования, поставленного потребителю и внедрённого совместно с ИЭС им. Е.О. Патона в семи установках ультразвукового контроля сварных швов и концевых участков труб большого диаметра, выполненных электродуговой сваркой: НК-360, НК-361 и НК-362 с улучшенными техническими характеристиками, паспортизацией труб и оперативным использованием информации о результатах контроля в процессе их производства. В ходе послегарантийного авторского обслуживания комплексов Интроскоп-02.01 и Интроскоп-02.02 в период 2007 - 2013 г.г. выполнено поэтапное обновление методического и аппаратно-программного обеспечения установок (заменено ПО с целью увеличения производительности УЗ контроля труб и обеспечения самодиагностики комплексов Интроскоп, увеличена степень интеграции аппаратуры, повышена ее надежность). Постоянное совершенствование внедренных в промышленность систем оборудования ультразвукового контроля в совокупности с другими методами НК, используемыми при производстве электросварных труб, позволяет оперативно реагировать на новые запросы заказчиков и требования новых стандартов, обеспечивать высокое качество и надежность возводимых ответственных народно-хозяйственных объектов, таких как энергетические сооружения, магистральные трубопроводы, включая подводные: североевропейский газопровод Nord Stream, Са-халин-1, Сахалин-2, Джубга-Сочи, Узбекистан-Китай, Южный поток и др.

Личный вклад

Личный вклад автора состоит в выборе научно-технического направления и постановке задач исследования, анализе литературных источников, развитии теории и проведении экспериментов, интерпретации полученных результатов; разработке методов оценки характера дефектов, математической модели корреляционной функции, принципов создания функциональных и электрических схем аппаратно-программных комплексов, алгоритмов обработки информации, технологии автоматизированного ультразвукового контроля электросварных труб, особенностей выявления дефектов на концевых зонах труб, программ испытаний оборудования. В реализации программы исследований и разработке

оборудования принимали участие Коряченко В.Д., Кирияков В.Ф., Гаврев В.С., Ралдугин А.Н., Найда В.Л., Копылов А.П., Исаенко Ф.И. и др. В совместных публикациях [1, 4, 5, 11, 16, 18, 19, 22, 24, 27] соавторами оказана помощь в разработке алгоритма определения вида дефекта сварного шва по бинарному коду значений коэффициентов формы, в конструировании раздельно-совмещенных ПЭП и их согласовании при работе на длинный кабель, в проведении экспериментальной части работы и обсуждении результатов, в наборе статистических данных при эксплуатации оборудования УЗ контроля, внедрённого в промышленность. В остальных работах соавторам принадлежат результаты, не вошедшие в диссертацию.

Апробация работы

Основные результаты и положения настоящей работы докладывались на: 10-й Европейской конференции N07 (2010г.), 9-й - 12-й Всесоюзных научно-технических конференциях (НТК) по неразрушающим физическим методам и средствам контроля (1981 - 1990 г.г.), 13-й, 16-й — 20-й Российских НТК по НК и ТД (1993 - 2014г.г.), 2-й Международной конференции МЕСАН1ТЕСН'20Ю (Бухарест, 2010г.), 2-й -3-ей Международных конференциях "Диагностика трубопроводов" (Москва, 1991 - 2001 г.г.), 3-й - 8-й Международных конференциях "НК и ТД в промышленности" (Москва, 2004 - 2009г.г.), 1-й Национальной НТК "Методы и средства НК и ТД" (Кишинев, 2003г.), 4-й Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Москва, 2003г.), 7-й Национальной НТК икгЫОТ-2012, Киев, Международной научно-технической конференции «Достижения физики неразрушающего контроля» (Республика Беларусь, г. Минск, 15 октября 2013 г.) и на других конференциях и семинарах международного и республиканского уровней.

По материалам диссертации опубликованы 52 печатные работы, в том числе 1 монография. На технические решения, реализованные в разработанных средствах неразрушающего контроля, получены 5 авторских свидетельств и 9 патентов РМ. Созданный генератор импульсов возбуждения, выполненный на уровне изобретения, вошел в блок технических решений, на который в 1985 г. была продана лицензия западногерманской фирме. Многоканальный ультразвуковой дефектоскоп ИНТРОСКОП-01 удостоен Диплома V Международной специализированной выставки ДЕФЕКТОСКОПИЯ - 2004, г. С.-Петербург.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 177 наименований.

Работа содержит 253 страницы машинописного текста, 6 таблиц, 2 диаграммы и 100 рисунков и иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность решения проблемы развития методов, разработки технологии и создания современных компьютеризированных комплексов ультразвукового контроля электросварных труб в процессе производства, сформулированы цель работы и задачи исследования, отражена научная новизна, изложены сведения об апробации, показана практическая значимость работы.

В первой главе приведены анализ и особенности методов сварки, видов образующихся дефектов при производстве труб и строительстве трубопроводов различного назначения, дан обзор состояния теоретических и экспериментальных исследований, развития методов и аппаратуры ультразвукового контроля сварных швов труб в потоке производства в России и за рубежом. Отмечается, что большой вклад в становление и развитие УЗ дефектоскопии сварных соединений внесли и вносят в своих работах отечественные ученые И.Н. Ермолов, А.К. Гурвич, Н.П. Алёшин, Н.В. Химченко, В.Т. Бобров, В.Г. Щербинский,

A.Х. Вопилкин, В.А. Бобров, A.A. Самокрутов, В.Г. Бадалян, В.А. Троицкий,

B.Д. Коряченко, A.B. Малинка, А.П. Стипура и др. Отмечена роль специалистов научных организаций и предприятий отраслей, производящих и потребляющих электросварные трубы, в разработке требований к качеству и концепции НК электросварных труб.

Рассмотрены основные методы изготовления электросварных труб сваркой давлением и сваркой плавлением, основные этапы технологии производства нефтегазопроводных труб большого диаметра и характеристики дефектов, возникающих в сварном шве и краевых полосах концевых участков труб при различных видах формовки и сварки труб. Показано, что, несмотря на достигнутый в последние десятилетия значительный прогресс в развитии методов и средств УЗ контроля, проблемы автоматизированного контроля электросварных труб в целом еще далеки от оптимальных решений. Это связано с тем, что изменения в технологии производства труб, повышение параметров давления на действующих и строящихся трубопроводах, оснащение трубоэлектросварочных агрегатов автоматизированными системами управления технологическими процессами потребовали проведения исследований, развития новых методов, технологии и совершенствования оборудования УЗ контроля труб в процессе производства.

На основании обзора известных работ определены основные направления исследований, разработки технологии и оборудования УЗ контроля электросварных труб:

1. Одним из факторов, влияющих на достоверность автоматизированного ультразвукового контроля, является непостоянство положения сварного шва движущейся трубы относительно УЗ преобразователей, что приводит к смещению зоны контроля канала дефектоскопа, определяемой задержкой строб-импульса, относительно момента возбуждения ПЭП.

В известных установках для компенсации поперечных смещений шва используют устройства поддержания оптимального расстояния по периметру

трубы от оси шва до точки ввода сдвиговых волн в металл стенки (параметр Ьо). Но, помимо механического смещения шва, оптимальное положение строб-импульса нарушается из-за изменений угла ввода сдвиговых волн в металл стенки (угол а), на изменение которого оказывает негативное влияние ряд дестабилизирующих факторов.

Таким образом, в целях повышения достоверности контроля необходимо выполнить исследования и предложить способы, обеспечивающие управление положением строб-импульса при наличии поперечных смещений шва и изменений угла а.

2. При создании установок для контроля сварного шва труб со снятым гратом заподлицо отсутствует информативный сигнал о положении сварного шва, так как нет стабильной отражающей поверхности. При этом возникает необходимость выявления зоны тела трубы, содержащего сварной шов, и слежения за ним в процессе контроля.

В установках контроля сварного шва труб с валиком усиления при его озвучивании имеется последовательность эхосигналов Ак, учитывающая не только смещения шва, но и изменения угла а. Кроме этого, необходимо рассмотреть возможность использования эхосигналов Ак для формирования строб-импульса канала дефектоскопа.

В связи с этим необходимо выполнить экспериментальные исследования с целью идентификации зоны сварного шва и создания надежной системы слежения за швом, выполненным сваркой давлением и сваркой плавлением.

3. В целях повышения достоверности контроля важно учитывать мешающее воздействие различного рода синхронных и несинхронных помех, проникающих в приемные каналы автоматизированного комплекса, работающего в цеховых условиях, и не допустить как пропуска дефектов, так и ложных срабатываний системы регистрации.

Необходимо исследовать, разработать и применить в аппаратно-программных комплексах эффективные способы достоверной регистрации сигналов от дефекта в условиях наличия различного рода мешающих импульсных возмущений, совпадающих по времени с зонами контроля.

4. Анализ известных работ и выполненные исследования по вопросам определения и компенсации нестабильности акустического контакта ПЭП с поверхностью контролируемой трубы подчёркивают важность вывода о влиянии контактной среды и интерференции волн между поверхностями плоского контактного слоя жидкости (КСЖ) на флуктуацию амплитуды эхосигнала от дефекта шва.

Поэтому остается актуальной задача поиска новых способов оценки качества акустического контакта и автоматической регулировки чувствительности всего тракта каждого канала дефектоскопического комплекса в условиях автоматизированного УЗ контроля.

5. Анализ методик контроля сварных швов ручными дефектоскопами с целью распознавания вида выявленного дефекта путем многоракурсного про-звучивания сварного шва, применительно к автоматизированному контролю

сварного шва труб в потоке производства создает предпосылки для решения задачи распознавания вида выявленного дефекта комбинационным способом.

В целях определения вида дефектов при автоматизированном УЗ контроле необходимо разработать методологию процесса и выбрать оптимальные схемы прозвучивания сварного шва.

6. Применение компьютеризированных комплексов в автоматизированном УЗ контроле сварных швов труб предоставляет новые возможности в обработке регистрируемого потока случайных амплитуд эхосигналов, пришедших из зоны контроля сварного шва.

С целью повышения достоверности УЗ контроля сварного шва представляется важным исследовать и разработать алгоритм оценки характера отражающей поверхности дефекта корреляционным и вероятностным способами для идентификации вида дефекта при автоматизированном контроле шва.

7. Для обеспечения качественных кольцевых стыков при строительстве трубопроводных магистралей важным является решение задач выявления продольных трещин, дефектов типа «расслоение» в металле концевых участков труб и автоматизированное измерение толщины стенки на концах труб. Для этого необходимо исследовать методы и разработать аппаратуру автоматизированного выявления продольных дефектов, расслоений и измерения толщины стенки в краевых полосах концов стальных толстостенных трубах при щелевом способе ввода ультразвука раздельно-совмещенным пьезопреобразователем, работающим на длинный соединительный радиочастотный кабель.

8. По результатам исследований необходимо разработать методологию и принципы построения систем ультразвукового контроля сварных соединений и концов труб с применением компьютерных технологий, разработать структурные схемы, аналоговые и цифровые узлы и блоки, алгоритмы обработки, регистрации информации и паспортизации труб, эффективное программное обеспечение, разработать и внедрить в промышленность комплексы многоканальных автоматизированных систем ультразвукового контроля электросварных труб.

Во второй главе приведены результаты исследований по определению особенностей контроля сварного шва труб наклонными совмещенными ПЭП и оценке влияния таких факторов, как изменение температуры и состояние акустического контакта на результаты ультразвукового контроля сварных швов труб. На основе работ проф. Ермолова И.Н. и проф. Гурвича А.К. уточнены условия оптимального ввода в металл стенки трубы пучка сдвиговых волн. Рассмотрен случай зигзагообразного распространения сдвиговой волны, введенной под углом 65°, при котором получен график зависимости амплитуды отражённого от дефекта сигнала от расстояния по периметру трубы от отражателя до точки ввода УЗК Ад(Ь) для цилиндрического отражателя (0 2 мм), расположенного посередине между поверхностями образца трубы (0 360, * 10 мм) (рис.1). Полученная зависимость позволяет обоснованно, исходя из соотношения геометрических параметров стенки трубы, размеров дефекта и параметров пучка сдвиговых УЗ колебаний, выбирать параметры зоны контроля (длительность по

Зона контроля на уровне 0,8

периметру трубы, допустимый диапазон изменения амплитуды эхосигнала от дефекта и др.)

Показано, что функция Ад(Ь) имеет осциллирующий характер и при использовании в качестве рабочего, например, 5-го пика функции (5-ти отражений пучка от стенок трубы) зона контроля по периметру трубы примерно равна 20 мм на уровне 0,8 Адтпах.

Исследования влияния температуры окружающей среды показали, что при её изменении на +30° С относительно исходной (+20° С) параметр Ьо для 5-го пика изменяется на +11 %, что обусловлено суммарным влиянием температуры, выразившемся в изменении угла а. Показано, что при изменении температуры на +30° С угол а относительно номинального значения при +20° С увеличивается на +4 % (призма ПЭП выполнена из оргстекла), то есть реально имеет место осциллирующая функция Ад(Ь, а).

При контроле сварного шва труб с валиками усиления нормированной формы полезно сохранить направленность пучка сдвиговых волн, так как селекция эхосигна-лов от дефектов шва осуществляется по временному признаку при

наличии последовательности эхосигналов Ак. Для этих труб использование 5-го пика функции Ад{Ь, а) является предельным случаем.

При контроле сварного шва труб контактной сварки с толщиной стенки до 6 мм в ряде случаев, например, для труб с гратом на внутренней поверхности, отпадает необходимость использования осциллирующей функции Ад(£, а), так как селекция эхосигналов от дефектов шва осуществляется по амплитудному признаку. Отсутствие осцилляции Ад(Ь, а) является признаком волноводного характера распространения сдвиговых волн в металле стенки трубы.

Показано, что при необходимости можно сохранить направленность пучка сдвиговых волн в металле шва сварной трубы с толщиной стенки 4... 12 мм. Но в этом случае для контроля всего сечения шва необходимо использование двух наклонных совмещенных ПЭП, установленных на одной стороне шва со смещением, при этом параметр Ь0 является для каждого ПЭП различным. Исследован вопрос прохождения импульсного наклонного пучка волн через плоский слой жидкости и, для уменьшения влияния интерференции волн в слое на амплитуду эхосигнала от дефекта шва, разработана и предложена конструкция призмы наклонного ПЭП.

£,мм

Рис. 1. Зависимость амплитуды эхосигнала от дефекта в виде цилиндрического отражателя Л„(Ь) от расстояния Ь

Проведенный теоретический анализ и исследование способов стабилизации звеньев акустического тракта призматического совмещенного ПЭП показали, что для компенсации нестабильности звеньев акустического тракта, в том числе и контактного слоя жидкости, при контроле сварных швов целесообразно использовать информативные сигналы из зоны шва, такие как отражения от грата, от дальней кромки валиков усиления, а так же сигналов шумовой структурной реверберации металла шва.

Для определения оптимальных условий выбора зоны контроля и порога амплитудной селекции при контроле сварного шва труб со снятым гратом заподлицо, когда на поверхностях трубы местами остаются допустимые остатки грата (не более 0,25 мм), на образце трубы (0 217 мм, * 10 мм) выполнены экспериментальные исследования. Схема эксперимента (а) и график функции Лцрн(у) и ^ггрв(у) (б) представлены на рис. 2.

Рис. 2. Схема эксперимента (а) и график функции Лпрн(у) и ЛПрв(у) (б) 1 - образец трубы; 2 - иммерсионный ПЭП; 3 - иммерсионная ванна

На поверхность образца трубы 1 от ПЭП 2 направлен наклонный пучок волн (иммерсионный вариант, частота УЗК 5 МГц). Преломленный импульс сдвиговых волн падает на внутреннюю поверхность образца трубы под углом ~ 58° и отражается от продольной риски внутренней (ПРВ) глубиной 0,5 мм, раскрытием 0,5 мм и длиной 20 мм и затем отражается от продольной риски наружной (ПРН). Размеры недопустимой риски соответствует размерам ПРВ, а допустимая риска имеет глубину 0,2 мм.

Результаты исследований отображены на рис. 2, б, где сплошной линией показаны графики Лпрн(у) и ^прн(т) для недопустимых рисок. Широкой пунктирной линией показан порог амплитудной селекции эхосигналов Ад. С целью отстройки от возможных ложных эхосигналов (пунктирная линия) необходимо выявление ПРН осуществлять при проходе зондирующего импульса на одну толщину стенки больше, чем при выявлении ПРВ, т.е. на втором отражении, при этом длительность строб-импульса, равная Ь - <ь должна перекрывать по времени АПрт и АпРш, где <1 - устанавливаемое время задержки строб-импульса, а ¿2 - время его заднего фронта. Диффузное отражение волн от поверхности трубы является поверхностным эхосигналом (обозначен П-сигнал), амплитуда которого в значительной степени зависит от параметров ПЭП и установленного

угла ввода УЗ в металл стенки р, а также от расстояния между ПЭП и поверхностью стенки трубы. Этот сигнал является мешающим, его влияние на результаты должно быть исключено выбором длительностью задержки строб-импульса

В третьей главе разработана методология ультразвукового контроля сварных швов труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства. Исследованы и разработаны способы выявления и слежения за сварным швом труб, выполненным контактной сваркой, по увеличению затухания ультразвуковых колебаний в зоне сварного шва и по шумовым сигналам от структуры металла шва. Разработан способ автоматического слежения за швом, выполненным сваркой плавлением, на основе использования информативных сигналов сварного шва, учитывающий, в том числе и изменения угла ввода ультразвуковых колебаний в стенку трубы, а также способы формирования следящей зоны контроля по эхосигналам от валика усиления сварного шва. Разработаны способы помехозащиты и автоматической регулировки усиления при изменении качества акустического контакта, температуры окружающей среды. Исследованы способы и разработаны алгоритмы идентификации вида дефекта корреляционным, вероятностным и комбинационным способами. Исследован и разработан многоэлементный пьезопреобразователь для реализации электронного ультразвукового сканирования при контроле сварного шва труб большого диаметра.

В разделе 3.1 исследован и разработан способ выявления участка периметра трубы, содержащего сварной шов (пат. № 2508), и слежения за ним в процессе УЗ контроля. Для выявления этого участка предложено использовать локально-иммерсионный совмещенный прямой ПЭП частотой 5 МГц (рис. 3).

При падении из жидкости на стенку трубы экспоненциального импульса (ударное возбуждение ПЭП1) для г > 0

^(0 = ЬехрГ---усоО, (1)

т

отражённый импульс в одномерном приближении, опуская множитель ехр(-у<ог), можно записать в виде

Р2(/а>Л) = 02зОз21Л32('-1)ехр(-Ж32^«)ехр[--(/ - 2 А], (2)

о т С3

где 1/т - показатель затухания, /„ - дискретное время в масштабе 2г/3/С3., где с1г - толщина стенки трубы, С3 - скорость продольных волн в стали, -02з и £>32 -коэффициент прозрачности границы вода-сталь и сталь-вода, Л32 - коэффициент отражения волн от границы сталь-вода, К3 = со / С3. Если справедливо условие

2^/Сз > Зт, (3)

то имеет место процесс реверберации импульса между стенками трубы.

Для этого случая фазовый множитель ехр(-уХз2</3) можно опустить и для амплитудных значений, учитывая | Л321 < 1, выражение (2) принимает вид

^2 ('л ) = ^23^32 ■ ехр( ~) >

(4)

подача воды

ПЭП1

где т„ - постоянная времени стенки трубы в масштабе С3.

Огибающая амплитуд серии донных эхосигналов {Д} убывает по экспоненциальному закону, то есть представляет собой экспоненциальный решётчатый сигнал, длительность которого равна (3...5) ти.

Если имеет 6 периодов колебаний, то отраженный решетчатый сигнал можно получить от стенки трубы толщиной 3 мм и более. Параметр т„, с учетом затухания УЗ в металле стенки, имеет вид 1

где у - затуха-

пьезопластина , иммерсионная ванна среда 2, звукопровод (слой жидкости)

среда 3, стенка трубы

и

пэпз

среда 4, воздух

Рис. 3. Схема локально-иммерсионного способа ввода УЗК в металл стенки трубы и выявления участка, содержащего шов

Т„ =-

[Ы?32+ у]

ние волн для фиксированной частоты. При увеличении у из-за более крупной структуры металла шва т„ уменьшается и, следовательно, увеличивается затухание серии импульсов {Д}. Этот признак используется для выявления участка периметра трубы, содержащего сварной шов.

Показано, что выявление и слежение за сварным швом можно осуществлять по шумовым сигналам. Участок стенки трубы, содержащий шов, в котором возбуждена серия УЗ импульсов {Д}, является излучателем волн различного типа (рис. 3), которые распространяются вдоль стенки трубы, многократно отражаясь от ее поверхностей. Эти волны принимаются ПЭП2 и ПЭПЗ акустического блока, выходной сигнал которых зависит от длительности серии УЗ импульсов, а огибающая принятых шумовых сигналов имеет вид некоторой случайной функции и повторяется в каждом такте возбуждения серии. Принятые шумовые сигналы представляют собой множество значений Хп = Х(пТз с ), оценку математических ожиданий которых для ПЭП2 и ПЭПЗ обозначим *пэп2 и *пэпз > соответственно. При движении трубы возможные поперечные смещения шва приводят к изменению амплитуды принятого ПЭП2 или ПЭПЗ шумового сигнала и изменению значений х^эп2 или х^ЭГ13. Нарушение симметрии между ПЭП2 и ПЭПЗ ведёт к возникновению разности Д = ± {х'пзп2-хпэпз )> которая отрабатывается следящим устройством, знак разности определяет направление регулирования. Если на некотором участке движущегося шва

появилось управляющее напряжение для следящего устройства, то ПЭП1 переходит в режим постоянного излучения зондирующих импульсов, ПЭП2 и ПЭПЗ принимают шумовые сигналы и в следящем устройстве постоянно формируется управляющее напряжение. Перемещение акустического блока прекращается, когда он оказывается в номинальном положении. После этого все ПЭП переходят в нормальный режим работы.

Кроме этого, локально-иммерсионный прямой ПЭП1 можно использовать для реализации дельта-метода - приема импульсов продольных волн, трансформированных при падении на поверхность плоскостного продольного дефекта импульса сдвиговых волн, излученного ПЭП2 или ПЭПЗ.

В разделе 3.2 рассмотрены вопросы контроля труб с гратом на внутренней поверхности. УЗ контроль обычно осуществляют при отсутствии осцилляции функции Ад(Ь, а), в этом случае нет необходимости в применении устройств слежения за поперечными смещениями шва. Выбор строб-импульса зоны контроля осуществляется с учетом возможных смещений шва. Для этих труб можно использовать 4-х канальный дефектоскоп, применяемый для контроля труб со снятым гратом заподлицо. Выявление поперечных трещин шва можно осуществлять, применяя наклонный ПЭП, ориентированный по оси шва. Так как устройство слежения за швом не используется, то целесообразно использовать два ПЭП с целью расширения зоны контроля по периметру трубы.

В разделе 3.3 исследованы вопросы контроля сварного шва труб с валиком усиления совмещенным наклонным ПЭП. При его УЗ контроле присутствует последовательность эхосигналов от дальней кромки валика усиления Ак, которая представляет собой дискретную функцию Ак\пТгл]. Усреднённое значение этой функции можно использовать для управления устройством слежения за поперечными смещениями шва (пат. № 2889). При этом устройство слежения компенсирует не только смещения шва относительно ПЭП, но и изменения угла а, в результате влияния различных факторов (изменения температуры, истирания призм ПЭП, анизотропии металла стенки трубы и др.). Изменения £ и а приводят к тому, что пик осциллирующей функции АК(Ь, а) (рис. 1),

Рис. 4. Смещение пика функции А„ (Да) относительно ¿о при изменении угла а: (сплошная линия - номинальное положение пика при £а)

например, третий не совпадает с зоной металла шва, что делает контроль недостоверным, поэтому важно обеспечить временное совпадение пика АК(Ь, а) с зоной шва, т.е. необходимо стабилизировать Ак тах в определенных пределах. Если изменяется Ь, то возникает приращение АЬ = ± (Ь0 - Г), и устройство слежения выполняет условие |Д£| « 0. При изменении а необходимо изменить Ь, чтобы выполнилось условие Ь « Ц или Ь ~ Ц, т.е. сместить положение пика Ак в зону Ц или Ц. На рис. 4 условно показано смещение пика относительно параметра Ь0 при увеличении и уменьшении а (смещение показано пунктирной и штрихпунктирной линиями, соответственно). В этом случае, выбор множества значений Лк[лГ3.с.] для управления устройством слежения сводится к выбору интервала Ткт, который охватывает необходимое множество периодов Гз д. Если принять, что скорость перемещения трубы равномерна и равна 0,2 м/с, а Тнт = 1 с, то при Г3.с. = 1 мс отрезок шва для первого периода интегрирования Тнит\ будет равен 200 мм. По формуле получим первую оценку среднего значения пиков функции Ак[л 7"з с ].

1 200

= ^ (5)

Точность приближения оценки математического ожидания Дт* к действительному значению тк проверяется способом вычисления Ат* на двух периодах Гинт и, когда разностью значений Ат* становится возможным пренебречь, считаем, что выбор Тит приемлем, получаем стационарную решетчатую функцию тк [/ГИит], где /=1,2, 3, ...со. Последовательность значений тк используется для формирования напряжения управления устройством слежения.

Исследована возможность и предложен способ формирования следящей зоны контроля (пат. № 3131) с использованием среднего значения последовательности временных интервалов, которые обозначены в виде ИИК (измерительный импульс). Для усреднения значений функции ИИк[иГзс.] можно выбрать период Гинт, который охватывает, например, 5000 значений. На рис. 5.

графически пояснен способ формирования зон контроля для ПЭП1 и ПЭП2. В первом периоде счета по формуле, аналогичной (5), вычисляется значение математического ожидания ИИ*. Во втором периоде необходимо осуществить выборку значений ИИк[иГ3.с], которые меньше ИИ*, , и,

ЬПЭП2

'пэш

Рис.5. Способ формирования строб-импульсов для ПЭШ и ПЭП2 по усреднённым значениям последовательности случайных значений ИИК

усредняя это новое множество, в конце Гинт2 можно получить второе значение ожидания, то есть ИИ*2. При этом справедливо ИИ'к2< ИИ*,. Для сокращения вычислений выборки и усреднения можно принять ИИ* min <ИИ^, например, ИИ*min= 0,8ИИ*min. Значение ИИ* min на рис. 5 условно показано пунктирной линией (для ПЭП1) и штрихпунктирной линией (для ПЭП2) в пределах шва и эти линии соответствует задним фронтам строб-импульсов. Время распространения УЗК от ПЭП до конца соответствующей зоны контроля в мкс равно ИИ*т;п.

Контроль шва осуществляется, как минимум, парой ПЭП, поэтому весь металл шва находится в пределах общей зоны контроля. Предложенный алгоритм расчета HH*min и длительности строб-импульса составлен из условия минимизации вероятности попадания эхосигнала Ак в строб-импульс, но некоторая вероятность ложного срабатывания канала дефектоскопа все-таки сохраняется. Однако вероятность одновременного попадания Ак в оба канала достаточно мала.

При движении трубы процессор постоянно вычисляет значение интервала ИИ* min и, корректирует задержку соответствующего строб-импульса относительно момента возбуждения ПЭП1 и ПЭП2.

При УЗ контроле труб с валиком усиления исследована возможность определения состояния акустического тракта и, особенно контактного слоя жидкости, по значениям тк эхосигналов от дальней кромки валика усиления Ак. Однако эхосигналы Ак используются для управления устройством слежения и формирования строб-импульса, то есть возникает необходимость применения усилителя эхосигналов Ак для устройства АРУ, при этом нет необходимости получения одиночных Ак. Дополнительно к Ак могут быть использованы любые сигналы от сварного шва. Интегрируя множество сигналов из зоны шва, можно сформировать управляющее напряжение устройства АРУ, которое в этом случае является устройством компенсационного типа.

Для условий УЗ контроля сварных швов при наличии индустриальных (несинхронных) помех большой интенсивности предложен способ помехоза-щиты (а.с. № 1098393) и регистрации эхосигналов от дефекта Аа. Способ применим в случае, когда в каждом такте зондирующего сигнала имеются эхосигналы Ад и Ак. Промежуток времени между передними фронтами этих эхосигналов измеряется и проверяется его повторяемость в N последовательных тактах. Если повторяемость имеется, то эхосигнал Аа регистрируется как сигнал от дефекта. Недостаток способа состоит в том, что при появлении в сварном шве протяженных дефектов, которые маскируют сигнал Ак (сквозной непровар и др.), алгоритм не работает, то есть дефектоскоп не регистрирует протяженные крупные дефекты.

Другой предложенный способ (а.с. № 826831), лишённый указанного недостатка, позволяет регистрировать Ад даже при периодическом пропадании эхосигналов Ак. Сварной шов проходит между двумя наклонными совмещенными ПЭП, жестко закрепленными между собой. В каждом канале дефектоско-

па измеряется временной интервал между моментом возбуждения ПЭП и передним фронтом Ак при отсутствии эхосигнала Ад. Сумма двух временных интервалов запоминается в памяти дефектоскопа и используется в качестве порога для временной селекции эхосигналов Ад. При появлении в шве дефекта также измеряется два временных интервала, сумма которых меньше установленного порога, что и служит признаком наличия дефекта. Так как ширина сварного шва не является постоянной величиной, то порог временной селекции определяется для минимально возможной ширины, то есть каждым каналом обеспечивается выявление дефектов, расположенных между передней кромкой валика усиления и серединой шва. По разработанному алгоритму компьютер комплекса ведет постоянную селекцию полученных сигналов и их обработку.

В условиях широкого применения информационных технологий и внедрения компьютеризированных дефектоскопических комплексов для автоматизированного УЗ контроля электросварных труб созданы новые возможности реализации различных алгоритмов обработки потоков регистрируемых амплитуд случайных сигналов, пришедших из зоны контроля сварного шва.

Важным фактором при определении вида выявленного дефекта является оценка формы его отражающей поверхности. При контроле сварного шва наклонным совмещённым ПЭП УЗ комплекс регистрирует множество эхосигналов от дефекта (А„), т.е. имеет место дискретная случайная функция

А„ = А(пТъс) (6)

где Г3.с — период повторения зондирующего импульса; п= 1,2, 3... птгх.

Статистические параметры функции (6) связаны с характером отражающей поверхности дефекта. Последовательность Ап является ограниченной функцией, так как реальные дефекты имеют ограниченную протяжённость.

Математическое ожидание т функции (6) для итах значений А„ вычис-

о

ляем по формуле, аналогичной (5). При этом центрированные значения (Ап ) функции Ап вычисляем по формуле

Д,=(л-»»*)■

о

На рис. 6 приведена возможная последовательность значений Ап , по ко-

о

торой оценим дисперсию последовательности Ап

1 "шах ( 0 \2

0'2=— X Ц, , (8)

"шах »=' V / О

Дисперсия последовательности Ап от дефекта, имеющего ровную отра-

о

жающую поверхность, равна нулю, но более часто дисперсия Ап имеет конечное значение, что характерно для неровной отражающей поверхности.

Исследован и предложен способ более эффективной оценки отражающей поверхности дефекта корреляционным способом при помощи автокорреляционной функции (далее «авто» опускаем), которая определяется

(9)

о о

где Ап+г — значение, сдвинутое по оси пТ^с на величину т„ относительно Ап ;

т„ - текущее смещение, представляющее ряд чисел 0, 1, 2, З...п —>т„.= т„ тах

Размер смещения хп., при котором значение Л*(тп.)« 0, равен длительности

функции (9).

Для последовательности значений функции (9) справедливо неравенство

С'2> Д*(т„-,)> Г(т„.2)>...> Л*(т„)> Л*(ти+1> ...> /?*(т„тах). (10)

Неравенство (10) показывает затухание корреляционной функции, кото-

0

рое для последовательности Ап происходит по экспоненте. Для определения коэффициента затухания экспоненты, обозначенного а (в данном случае не путать с а - углом ввода УЗ колебаний), достаточно вычислить значение функции (9) при т„ = 0, т.е. значение дисперсии б*2 при тпшш = 1. Заметим, что при этом справедливо условие Я*(т„) > 0.

На этом основании можно записать равенство

Д'(т„=1 )ДГ2=е-а. (11)

Тогда функция (9) примет вид

Я'(т„)=0'2е-ах». (12)

Коэффициент затухания а различен для разных отражающих поверхностей. Ровные отражающие поверхности имеют малые значения а, т.к. имеет место малый разброс значений А„, т.е. в каждом новом Тзс. амплитуда эхосигнала мало отличается от амплитуды эхосигнала в предыдущем Т1С . Большие значения а соответствуют существенно неровным отражающим поверхностям: в каждом новом Гз с. имеет место новый процесс отражения зондирующего импульса мало похожий на процесс отражения в предыдущем Т3.с.. Это приводит к ослаблению временной связи последовательности А„.

✓ / ✓ ч \ г ^6 7 8 9 п-\ п 'Г

0 1 2 3 4 5 >■ \ 1 „г„.

Рис. 6. График распределения центрированных значений

о

Лп последовательности значений А„ по формуле:

Учитывая, что Л*(т„) имеет вид затухающей экспоненты (12), определена длительность корреляционной функции по соотношению

т,»(3...5)т; , (13)

где т* = 1 / а — постоянная времени затухающей экспоненты в масштабе Г3с.. Таким образом по длительности корреляционной функции для последовательности Ап определяется форма отражающей поверхности выявленного дефекта.

В сварных швах труб, изготовленных сваркой плавлением, различают три вида дефектов: плоскостные, объёмные и объёмно-плоскостные. Сигналы, получаемые при контроле из зоны сварного шва трубы с большой толщиной стенки, использованы для целей определения вида дефекта. Так, при движении трубы относительно тандем-преобразователя (ТПЭП) (рис. 7), дефектоскоп принимает множество эхосигналов от дефекта шва. Существенным параметром выявленного дефекта сварного шва является его условная протяжённость АЬ. При определении АЬ в качестве меры используется активная ширина зондирующего пучка ультразвука. По значению АЬ различают дефекты компактные (пора,

шлаковое включение и др.) и протяжённые (непровар, смещение кромок стенки, цепочка пор и др.).

Использованный ТПЭП составлен из двух идентичных совмещённых наклонных ПЭП2 и ПЭПЗ, жёстко связанных между собой. Направление излучения-приёма обоих ПЭП перпендикулярно оси сварного шва. Зондирующие импульсы, излученные одновременно ПЭП2 и ПЭПЗ, озвучивают дефект с разных сторон. Первый обратный эхосигнал проходит двойное расстояние а-б, второй обратный эхосигнал проходит двойное расстояние в-г-а, прямой зеркальный эхосигнал от ПЭП2 проходит расстояние б-а-г-в и принимает ПЭПЗ, прямой зеркальный эхосигнал от ПЭПЗ проходит расстояние в-г-а-б и принимает ПЭП2, т.е. прямой зеркальный эхосигнал одновременно принимают ПЭПЗ и ПЭП2. В каждом такте эхо-сигналы выделяются с помощью трех селекторов СИ1, СИ2, СИЗ и далее оцифровываются. Если в некоторой последовательности тактов п = 1, 2, 3,... ишах выявлен дефект шва, то в память дефектоскопа записываются последовательности . Разработан алгоритм и специализированное программное обеспечение, его реализующее и позволяющие вероятностным способом по соотношению амплитуд зеркальных и обратных эхосигналов, определять вид выявленного дефекта. Применение разных условий для образования последовательности комбинаций битов зависит от приоритета определяемого вида дефекта сварного шва. При обнаружении компактного или протяжённого дефекта одни комбинации будут более часто повторяться в соседних тактах, а другие - менее часто.

Рис.7. Схема УЗ контроля шва с помощью тандем-ПЭП

По частоте повторения данной комбинации в общей последовательности тактов определяем относительную вероятность появления данного вида дефекта шва.

Сумма относительных вероятностей всех возможных комбинаций равна единице, т.е. справедлива формула

"ООО | "101 | "001 ! "loo ! "010 ! "щ ! "по ! "он

"max к "шах к "шах к "шах к "шах к "шах к "шах к "max к

Числитель каждого слагаемого (14) есть число повторений данной комбинации в общем числе испытаний (тактов). Слагаемое равно относительной вероятности данной комбинации, например, р(101) =пт/п1тхк. Вид дефекта, прошедшего через зону контроля ТПЭП, определяется по комбинации, имеющей относительную вероятность более 0,5. Для ТПЭП можно получить функцию вида (6), например, если произвести в каждом такте Гз с, из принятых эхосигналов от дефекта выборку эхосигнала максимальной амплитуды.

По данному разделу важно подчеркнуть:

- разработанный алгоритм оценки характера отражающей поверхности дефекта и программное обеспечение, его реализующее, позволяет по параметрам корреляционной функции последовательности сигналов от выявленного дефекта идентифицировать его вид, отличив его ровные отражающие поверхности, присущие плоскостным дефектам, от неровных, присущих, например, цепочке объёмных дефектов;

- интерпретация известных коэффициентов формы дефекта в виде комбинации битов позволяет автоматизировать процедуру распознавания вида дефекта, прошедшего зону контроля ТПЭП. В качестве признака распознавания предложено использовать максимальную относительную вероятность появления в зоне контроля ТПЭП дефекта соответствующего вида.

Возможность определения индикатрисы рассеяния волн ультразвука при озвучивании поверхности дефекта зондирующим импульсом позволяет определить вид дефекта в сварном шве комбинационным способом (пат. № 2839). Такая возможность реализована при использовании схемы контроля согласно рис. 8. Особенность схемы, в отличие от известных Ж -образных схем, состоит в том, что используются два наклонных приемника (П5, П6), которые установлены на большем расстоянии от оси шва, чем ИПЗ и ИП4. Наличие общей зоны контроля для системы из 6-ти ПЭП позволяет решать задачу распознавания вида выявленного дефекта движущегося шва. Так, по числу принятых эхосигналов Ад и скорости движения шва определяют условную протяженность дефекта (Là).

Рис. 8. Ж-образная схема контроля сварного шва с валиком усиления

При излучении зондирующего импульса одним ПЭП эхосигналы могут принимать несколько ПЭП. Согласно общим физическим представлениям об отражении волн ультразвука от поверхности дефекта примем следующее сочетания излучателя - приемников:

Излучатель ИП 1 - приемники ИП 1, ИП 3, П 5 (1-й такт); Излучатель ИП 2 - приемники ИП 2, ИП 4, П 6 (2-й такт); Излучатель ИП 3 - приемники ИП 3, ИП 4, П 5 (3-й такт); Излучатель ИП 4 - приемники ИП 4, ИП 3, П 6 (4-й такт);

Выход приемника каждого канала рассматриваем в виде бита: эхосигнал есть -1, эхосигнала нет - 0. В каждом такте излучателя на выходах приемников формируется сочетание трех битов. Один цикл контроля шва состоит из четырех тактов. При прохождении дефектом зоны контроля, он озвучивается некоторым конечным множеством циклов N. Число циклов зависит от скорости движения трубы, от эффективного размера сечения зондирующего пучка ультразвука и от частоты повторения циклов. Каждому дефекту шва присуще свое число N.

В первом такте излучает ИП 1 и имеет место следующее сочетание битов по видам дефекта шва: 100 и 110 - плоскостной, ориентированный вдоль оси шва (обозначим буквой П); 111 и 101 - объемный (О); 011, 010, и 001 - объемно-плоскостной (ОП).

Во втором такте излучает ИП 2 и имеет место такое же распределение битов, ибо ИП 1 и ИП 2 расположены симметрично относительно оси шва.

В третьем такте излучает ИП 3 и имеется следующее сочетание битов: 010 и 100 - поперечная трещина (ПТ); 110 - торец поперечной трещины (ТПТ); 111 - объемный (О); 101,011 и 001 - объемно-плоскостной (ОП).

Сочетание битов в четвертом совпадает с третьим. Распределение сочетаний битов в соответствии с видом обнаруженного дефекта представлено в виде табл. 3.1 и 3.2.

Таблица 3.1_ _Таблица 3.2

Излуча- Сочетание битов Излуча- Сочетание битов

тель 1 1 1 1 0 0 0 тель 0 1 1 1 1 0 0

ИП 1 0 1 1 0 1 1 0 ИПЗ 1 0 1 1 0 1 0

ИП 2 0 0 1 1 1 0 1 ИП 4 0 0 0 1 1 1 1

Вид Вид

дефекта П О ОП дефекта ПТ ТПТ о ОП

Исследован вариант многоэлементного ПЭП, который предложен для упрощения конструкции акустической системы автоматизированной установки УЗ контроля, с целью значительного уменьшения её габаритов и веса, заменяющий поперечное механическое сканирование сварного шва электронным.

Рис. 9. Схема размещения пьезоэлементов на общей призме: а - вид на ПЭ 1,3,5,7 сбоку; б - вид на ПЭ в плане

При проведении экспериментальных исследований использован лабораторный образец восьмиэлементного ПЭП. На рис. 9 показано размещение пьезоэлементов (ПЭ) на общей призме, установленных под углом к общей рабочей поверхности ПЭП. Угол ввода в металл а выбран равным 45°, при этом расчетный угол р = 37°. "Зона захвата" по оси х каждого ПЭ на уровне 0,5 максимальной амплитуды эхосигнала на глубине 100 мм в стали на рис. 9, б показана в виде штриховки. Понятие "зона захвата" определяет интервал перемещения ПЭ

по оси х, соответствующий уменьшению амплитуды А эхосигнала от контрольного отражателя (КО) до уровня 0,5 относительно Атах. При ориентации общей рабочей поверхности ПЭП параллельно поверхности образца каждый наклонный ПЭ может работать в совмещённом режиме, назовём "наклонный совмещённый".

Генератор многоканального дефектоскопического комплекса в каждом такте возбуждает один ПЭ, а приём эхосигналов осуществляют несколько ПЭ. Для исследования в качестве контрольного отражателя использовано сквозное отверстие 0 2 мм в плоскопараллельном стальном образце толщиной 30 мм.

Функционирование одного ПЭ в режиме "наклонный совмещённый''' и сигналы, наблюдаемые на выходе усилителя, показаны на рис. 10.

При вводе зондирующего импульса в металл образца трансформированный импульс сдвиговых волн отражается от донной части КО. На рис. 10, б этот эхосигнал обозначен д, буквами П, и П2 обозначены первый и второй эхосигналы от поверхности образца. Момент I = 0' принят за начало отсчёта времени (0' на рис. 10, б отмечен стрелкой). При использовании режима "наклонный совмещённый" эхосигнал Пг оказывается в зоне контроля, поэтому необходимо принять меры по уменьшению амплитуды П2 относительно амплитуд полезных сигналов. Один из способов - уменьшить толщи-

образец \ : ■ УД- у ВОЛЭ -Гр ~ у ко

\

\

-4-

п,

в)

Рис. 10. Схема работы (а) и вид эхосигналов (б) одного ПЭ в режиме "наклонный совмещённый"

ну слоя воды так, чтобы задний фронт эхосигнала П2 определял начало зоны контроля. В этом случае эхосигнал П; совпадает с возбуждающим импульсом. Так как это приводит к уменьшению зоны контроля, то для каждой толщины стенки трубы толщина слоя воды должна обеспечивать необходимую зону контроля. Так, например, для стенки 30 мм оптимальная толщина КСЖ равна 10 мм.

В режиме "тандем" можно получить эхосигнал только от цилиндрической части отражателя КО, при этом эхосигнал П2 практически отсутствует, а уровень амплитуды эхосигнала П) существенно меньше, чем в случае работы ПЭ в режиме "наклонный совмещённый". Можно реализовать несколько вариантов в режиме "тандем", каждый из которых имеет свои особенности регистрации эхосигналов от дефектов различной ориентации.

При контроле изделия возбуждение элементов ПЭ производится поочерёдно с первого по восьмой. Размер общей зоны захвата по оси х равен 75 мм. При излучении зондирующего импульса одним ПЭ приём эхосигналов осуществляется несколькими ПЭ, т.е. в каждом такте ПЭП может работать в нескольких режимах выявления дефектов сварного шва. Учитывая большую скорость электронного поперечного сканирования, реализуемого ПЭП, механическое продольное перемещение вдоль шва выполняется непрерывно с постоянной скоростью.

В четвертой главе исследована и теоретически обоснована технология и предложены способы автоматизированного УЗ контроля краевых полос концов труб, предназначенные для выявления дефектов типа «расслоение» в металле стенки концевых участков трубы и измерения толщины стенки в этих зонах, используя щелевой вариант акустического контакта. Исследованы особенности контроля краевой полосы с помощью р/с ПЭП, соединенного с аппаратурой комплекса длинным (25...35) м радиочастотным кабелем.

Схема эксперимента с р/с ПЭП приведена на рис. 11. Нас интересует щелевой вариант акустического контакта, который удовлетворяет условию:

АУ4 < 2с1ж> сжги, (16)

где (1Ж - толщина контактного слоя жидкости; сж - скорость ультразвука в воде; ги - длительность УЗ импульса; X - длина волны ультразвука в воде.

Волновое сопротивление сред в генераторном модуле удовлетворяет соотношению:

Р0С0<Р1С1>Р2С2. (17)

В момент I = 0 на выходе генераторного радиокабеля присутствует возбуждающий видеоимпульс С/(/), длительность которого на уровне 0,1 обозначена /в, и 1Е при этом удовлетворяет условию:

4 < с1п/ст (18)

где ¿п - толщина пьезопластины; с„ - скорость звука в пьезосреде, то (/(/) можно рассматривать как ударный импульс.

Часть энергии импульса давления P(t), возникающего на границе 1-2, излучается в пьезосреду 1 (обозначена Р" (/) ), другая часть P?(t) - в среду 2. Импульс /f (<) в момент времени t = da/c„ достигает границы 1-0 и часть его энергии отражается с изменением фазы (условие (17) обратно в среду 1. Процесс последовательных отражений импульса /f (г) внутри границ пьезослоя 1-0 и 1-2 представлен в виде волновой сетки (рис. 12). Процесс первого отражения /}°(i) от границы 1-0 сопровождается возникновением электрического напряжения на емкости Со-г, т.е. формируется первый «индуктированный» импульс, по полярности совпадающий с t/(i). Возникновение на обкладках ПЭ-Г совокупности «индуктированных» импульсов означает, что ПЭ-Г является пьзогенерато-ром. Совокупность элементарных импульсов, прошедших в оргстекло обозначим Р2 (/), процесс формирования которой согласно волновой сетке представим в виде геометрической прогрессии

p2{t)=р? (о+Dî2P;> (охте1, (19)

1

где п - порядковый номер обхода импульсом ff(t) двойной толщины пьезослоя. Прогрессия (19) сходится, т.к. RwRi2< 1. Возбуждённый пьезоэлемент ПЭ-Г излучает импульс ультразвука Р2 (/) в оргстекло, и, частично, в среду демпфера и «излучает» совокупность «индуктированных» электрических импульсов в кабель. Совокупность «индуктированных» импульсов наблюдается на фоне процесса разряда ёмкости Со-г.

Кабель, соединяющий ПЭ-Г с аппаратурой, следует рассматривать в качестве «длинного» при соблюдении условия

4 >0,5<„ск, (20)

где ск— скорость распространения импульса U(t) в кабеле.

Огибающая амплитуд ряда элементарных импульсов, согласно геометрической прогрессии (19), имеет вид спадающей экспоненты. Значение DnP° {t)Rw (первый обход импульса Ff (/) двойной толщины пьезослоя)

и

Рис. 11. Схема выявления расслоений в стенке трубы р/с ПЭП: ПЭ-Г - излучающий пьезоэлемент, ПЭ-П - принимающий пьезоэлемент, Д - демпфер, Ог - призма ПЭ-Г (оргстекло),

Оп - призма ПЭ-П (оргстекло), Э - акустический экран, 0 - среда демпфера, 1 - пьезослой, 2 - среда оргстекла, д — расслоение металла стенки трубы

можно принять как амплитуду экспоненты. Длительность импульса Р2 (г) можно определить, если известна постоянная времени экспоненты. Число обходов импульсом P°(t) двойной толщины пьезослоя, необходимое для уменьшения амплитуды в е раз обозначим N. Однако пьезослой представляет собой дискретную систему, собственный масштаб времени которой равен 2dn/cn = Т. Следовательно, промежуток времени, соответствующий числу N, есть дискретная постоянная времени пьезослоя х

х = NT. (21)

Приняв Д2^°(()Д10 = 1, получаем

е=1(22)

При этом длительность P2(t) = Т+ Зт.

Выражение (19) для импульсов, излучаемых обеими гранями пьезопла-стины, принимает вид

(23)

где ©0=2п/Т = лсп /dn— угловая частота. Знак минус в показателе степени (23) взят потому, что Rl0Rn< 1.

Выход ПЭ-П соединен с входом усилителя длинным радиокабелем /к. Необходимо учитывать возможные отражения электрического эхосигнала от конца кабеля, соединенного с входом усилителя.

В связи с тем, что длинные кабели, соединяющие ПЭ-Г и ПЭ-П с выходом генератора и с входом усилителя, соответственно, можно рассматривать в виде передающей и приёмной антенны, неизбежно по наводке некоторое возбуждение ПЭ-П, что нежелательно. Поэтому важно уменьшать паразитную связь между антеннами. Кроме того, в конструкции ПЭП важно создавать условия слабой электромагнитной связи между ПЭ-Г и ПЭ-П и минимальной паразитной возбуждаемости ПЭ-П при сохранении приемлемых условий для приёма эхосигналов.

Рис. 12. Волновая сетка для импульса^0 (i): •Rio, Rn~ коэффициенты отражения от границ 1-0 и 1-2, соответственно, D ¡2 - коэффициент прохождения Р° (/) через границу 1-2 после отражения от границы 1-0

Исследован и разработан способ измерения толщины стенки трубы с использованием щелевого способа создания акустического контакта между р/с ПЭП и поверхностью стенки трубы. Щелевой способ позволяет размещать ПЭП на любом участке периметра трубы и практически свободен от воздушных пузырьков. ПЭП для измерения толщины предложено размещать в общем акустическом блоке установки УЗ контроля краевых полос концов труб, который удалён от электронной аппаратуры и соединяется с ней длинными радиокабелями.

По результатам исследований с использованием р/с ПЭП на 5 МГц предложена схема (рис. 13) формирования переднего фронта измерительного импульса (ИИ). Генератор импульсов в момент времени ; = 0 формирует на входе длинного соединительного радиокабеля (Ьк~ 25 м, \УК = 50 Ом) видеоимпульс отрицательной полярности длительностью 0,1 мкс на уровне 0,1 амплитуды. В

момент времени г = 0,2 мкс видеоимпульс поступает на выход генераторного радиокабеля и возбуждает излучающий пьезоэлемент (ПЭ-Г).

Передний фронт ИИ в виде первого отражённого импульса от поверхности трубы в-С] (рис. 14, а) формируется на выходе селектора 1. Важно предпринять меры по стабилизации уровня амплитуды сигнала в-сь вызванного вибрацией поверхности трубы при ее вращении относительно неподвижного р/с ПЭП.

Рис. 14. Диаграммы импульсов на входе селектора 1 (а) и выходе приемного усилителя (б):

о-в - сигнал от границы сред оргстекло-вода; в-С] - сигнал от границы сред вода-сталь; с,, с2> с3 - эхосигнапы от наружной поверхности стенки трубы; Д| - первый донный эхосигнап

При формировании заднего фронта ИИ импульс, отражённый от внутренней поверхности стенки (донный эхосигнал) проходит водяную щель, оргстек-ловую призму, воздействуя на приёмную пьезопластину. Выход ПЭ-П через длинный радиокабель и специальный ВЧ трансформатор поступает на вход приемного усилителя (элементы формирователя заднего фронта ИИ на схеме рис. 13 не показаны). Первый донный эхосигнал Д] появляется на выходе уси-

/.' 2 * ц _ Тр-р

Стенка трубы

Рис. 13. Схема формирования переднего фронта измерительного импульса

лителя в момент г = 12,5 мкс, при толщине стенки трубы 15 мм и 5 = 2 мм (рис. 14, 6).

Таким образом, на выходе селектора 1 появляется сигнал в-Сь а на выходе селектора заднего фронта появляется сигнал Дь используемые для формирования измерительного импульса ИИ. Реально толщина стенки трубы пропорциональна временному интервалу между сигналами С1 и Дь то есть ИИ содержит постоянную составляющую, равную 2 мкс, которую система учитывает при пересчете и фиксации измеренной толщины стенки трубы.

Предложенный способ ультразвуковой толщинометрии краевых полос стенки труб при их производстве позволяет объединить процессы толщинометрии и дефектоскопии концов труб на одном участке сдаточного контроля и обеспечить нормированный допуск по толщине стенки труб в зоне сварки кольцевого шва в трассовых условиях строительства магистралей.

В пятой главе

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований, анализа и обобщений разработаны принципы построения комплексов УЗ контроля электросварных труб при их производстве.

На смену малоканальным аналоговым системам поэтапно разрабатывались и внедрялись новые цифровые системы и компьютерные технологии, программируемые логические матрицы, системы обработки и отображения информации на программном уровне. Управление работой установок выполняется по алгоритму: программная загрузка параметров установки, проведение контроля, выполнение обработки результатов контроля в реальном масштабе времени, формирование и выдача паспорта контроля в АСУ ТП цеха и завода.

Базовой структурной единицей современной установки является многоканальный УЗ комплекс, который может быть построен по одному из нижеследующих вариантов. На рис. 15, а показана структурная схема многоканального комплекса с последовательно-параллельной организацией каналов контроля. В данной схеме до восьми ПЭП подключаются к одному мультиплексору, который организует последовательную работу группы из восьми каналов, передавая полученную информацию в соответствующий модуль обработки. Другая последовательная группа каналов управляется следующим мультиплексором, который связан со своим модулем обработки, и т.д. Группы каналов по времени могут работать параллельно. Модули обработки монтируются на шасси ПК и связаны с компьютером через РС1 шину. Их число определяется количеством мультиплексоров. Основные недостатки - ограниченная производительность за счет последовательной работы групп каналов и относительно высокая удельная стоимость.

На рис. 15, б показана структурная схема многоканального комплекса с параллельной организацией каналов контроля, состоящих из модульных Д-каналов. В данной схеме каждый Д-канал - это специализированный однока-нальный дефектоскоп с полным набором приёмо-передающих и обрабатывающих функций, реализующий необходимые алгоритмы контроля. Модули объединены через специализированную шину с головным ПК, в который передают

tun и

ПЭП1 1—►

D-

ПЭП 2 I dp ПЭП 7

CF

ШАССИ ПК

w

ПЭП в

□н

о

ПЭП 2

О

пэп^

гм

обработанную информацию и видеосигналы. ПК осуществляет отображение сигналов, А-скан, В-скан, сбор и хранение всех данных, дублирование информации и т.д. По такой структуре построены многоканальные дефектоскопы в установках для контроля сварных швов SNUP-LO, SNUP-SP фирмы Krautkrämer, SNUL фирмы Karl Deutsch и др.

Достоинства - высокая производительность, за счет возможности параллельной работы каналов, недостаток - высокая стоимость.

На рис. 15, в приведена структурная схема многоканального комплекса с параллельной организацией каналов контроля — управляющего вычислительного дефектоскопического комплекса (УВДК). В данной структуре модульные дефектоскопические блоки монтируются на шасси ПК и объединяются через PCI шину. Достоинства такой структуры - высокая производительность, за счет возможности параллельной работы каналов и низкая удельная стоимость. Недостатки — количество модулей, а значит и каналов, в одном ПК ограничено объединительной платой ПК, что в целом ограничивает функциональные возможности комплекса.

Одновременно со схемным и структурным совершенствованием установок развивались принципы адаптации установок к условиям контроля и требованиям норм и стандартов, создания и внедрения новых методик контроля. Благодаря этому, реализована возможность изменения параметров контроля от такта к такту контроля: настройки строб-импульсов, мощности генераторов, подключения ПЭП различных типов, изменение схемы подключения ПЭП в процессе контроля в зависимости от положения акустического блока. Получена

головной

б)

Рис. 15. Варианты построения структуры многоканального комплекса с различными способами включения каналов: а) — последовательно-параллельное включение;

б) - параллельное включение Д - каналов; в) - параллельное включение МДБ - модулей.

возможность формирования различных типов ВРЧ и повышения чувствительности контроля за счет статистической обработки сигналов (накопление и фазовое суммирование). Обновление аппаратуры и программного обеспечения постоянно расширяет возможности адаптации установок к объекту и условиям контроля, совершенствует возможности применения создаваемых новых способов повышения достоверности результатов ультразвукового контроля за счет совершенствования методов слежения за сварным швом и контроля акустического контакта, создания и внедрения способов повышения помехозащищенности средств контроля, автоматической регулировки усиления каналов дефектоскопии, методов определения вида выявляемых дефектов и др.

УВДК, построенные на базе промышленных компьютеров, позволяют создавать базы данных, как для настройки установки, так и запоминания и долговременного хранения результатов контроля, использовать различные сервисные устройства и выносные мониторы для настройки акустических систем.

По результатам проведенных исследований применительно к контролю электросварных труб, выполненных контактной и электродуговой сваркой, сформулированы усовершенствованные принципы построения комплексов современного уровня для УЗ контроля. С целью обеспечения высокой достоверности результатов и производительности контроля создаваемых систем необходимо обеспечить:

- реализацию результатов исследования акустического тракта применительно к контролю сварных швов труб в условиях поточного производства (оптимизация параметров ПЭП, выбор схем прозвучивания с учетом технологии сварки и характера возникающих дефектов),

- реализацию результатов исследования акустического тракта применительно к дефектоскопии и толщинометрии краевых полос концов труб (оптимизация параметров ПЭП, выбор схем прозвучивания с учетом характера возникающих дефектов и требований к толщине полосы,

- совершенствование функциональных узлов аппаратной части - генераторов импульсов возбуждения, усилителей, устройств АРУ и слежения за швом;

- использование достижений в области информационных технологий (промышленные компьютеры, программные продукты, алгоритмы обработки информации, обеспечивающие реализацию способов помехозащи-ты контроля и расшифровки характера дефектов, функции самодиагностики аппаратуры и др.);

- разработку функциональных схем с гибкой структурой, позволяющей наращивать функции и объем контролируемых параметров и изменять режимы работы (число каналов, последовательная или параллельная работа и пр.).

Многолетний опыт создания автоматизированных систем УЗ контроля электросварных труб кратко описан в заключительной части главы. Практические результаты разработки техники и технологий представлены на примере аналоговых автоматизированных установок УД-82УА для контроля сварных швов труб и УД-77БМ для контроля концов труб; цифровых многоканальных

комплексов Интроскоп-01 в установках Интроскоп-КСШ 1 - для контроля сварных швов и Интроскоп-ККТ1 - для контроля концевых участков труб, произведенных методом контактной сварки, Интроскоп-02.01 - для УЗ контроля сварных швов труб в составе установок НК360 и НК361, выполненных сваркой плавлением и Интроскоп-02.02 - для контроля краевых полос концов труб в составе установок НК362.

Общий вид оборудования УЗ контроля сварного шва и краевых полос концов труб приведен на рис. 16-18.

Рис. 16. Акустическая система установки УЗ контроля сварного шва труб НК-360

Настройка Данные Такт [ врч Контроль Отчет Просмотр Выход

а) 6)

Рис. 1В. Автоматизированная установка для УЗ контроля концов труб НК-362: а — акустическая система установки; б — стойка многоканального комплекса Интроскоп-02.02

Установка УД-82УА предназначена для автоматизированного УЗ контроля сварных соединений труб большого диаметра и сосудов, производимых на предприятиях металлургического и нефтехимического машиностроения. Установка восьмиканальная, с временным разделением каналов: четыре канала обеспечивают контроль сварного шва по эхо-импульсному или эхо-теневому методу, а остальные 4 используются для оценки состояния акустического кон-

такта под каждым наклонным преобразователем, независимо от местоположения последних. Использование 4-х каналов для контроля сварного шва позволяет реализовать К- и Х-образные схемы прозвучивания для обнаружения дефектов продольной и поперечной особенность установки УД-82УА состоит в использовании генератора радиоимпульсов на основе трансформатора типа "длиной линии". Генератор формирует радиоимпульсы достаточной мощности и весьма малой длительности (от одного периода) во всем диапазоне частот, используемых для УЗ контроля сварных швов. При использовании большего числа периодов заполнения радиоимпульса (более пяти), например, колоколооб-разной формы, предусмотрена возможность плавного изменения частоты (глубина девиации, регулируемая в пределах ±30%). Излучаемый УЗ импульс качающейся частоты существенно улучшает условия выявления дефектов сварного шва труб.

Многоканальные компьютеризированные комплексы моделей Интроскоп-01, Интроскоп-02.01 и Интроскоп-02.02 созданы на базе управляющих вычислительных дефектоскопических комплектов (УВДК), в которых реализованы методы повышения достоверности, информативности и определения вида выявленных дефектов в электросварных трубах в процессе их производства.

По своей организации многоканальный комплекс серии Интроскоп-02.01

сконфигурирован по схеме, показанной на рис.

15, в, его структурная схема приведена на рис.

16, в которой в отличие от схемы комплекса Интроскоп-01 вместо 8-ка-нального модуля последовательного действия используются 2-х канальные модульные дефектоскопические блоки (МДБ) параллельного действия. Каждый такой модуль состоит из двух полноценных дефектоскопических каналов, содержащих все необходимые узлы канального модуля: генератор, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь, формирователь кривых ВРЧ, оператив-

0 1 г 3 ч 5 6 7 я 9 10 11 13 и 14 15

Генератор О о о о о о о О о о о о о о о О

Приемник О о о о о о о о о О о о О о о о

•щ]—

Блок бесперебойного питания

Елок

дефектоотмсгчикон

|Л

Блок звуковой

и световой сигнализации

Рис. 19. Блок-схемы дефектоскопа Интроскоп-02.01 (МДБ - двухканальный модульный дефектоскоп;

ную память, устройства связи и обмена информацией. Такое отличие структуры комплексов позволяет значительно расширить возможности построения тактовых схем, реализовать разнообразное число вариантов методических решений и увеличить частоту запусков генераторов, а, следовательно, и производительность УЗ контроля труб.

Обнаружение дефектов, обработку данных контроля, регистрацию результатов калибровки комплексов Интроскоп-01 и Интроскоп-02 обеспечивают УВДК. Конструктивно все модули, узлы и блоки смонтированы в одном шасси на шине ISA на базе индустриального компьютера с развитой структурой обмена с системами установок. Также на шасси компьютера установлен и блок автоматики. Вся аппаратура многоканального комплекса смонтирована в шкафу фирмы Shcrof.

Упрощенный алгоритм работы программного обеспечения одного такта одного канала установок НК-360 и НК-361, построенных на базе многоканального дефектоскопического комплекса Интроскоп-02.01, приведен на рис. 20, а. а для установок НК-362, на базе многоканального дефектоскопического комплекса Интроскоп-02.02, приведен на рис. 20, б.

Рис. 20. Алгоритмы работы 1-го такта 1-го канала установок НК-360, 361 (а) и НК-362 (б)

Эффективность контроля во многом определяется метрологическими характеристиками установок, стабильностью их параметров во времени. При эксплуатации установок регулярно, как минимум два раза за смену, проводится тестовая проверка параметров установки на стандартном образце предприятия (СОП), и, в случае несоответствия параметров, установленных при настройке на данном СОП, особенно по чувствительности, производится возврат продукции, проконтролированной за последние 4 часа, и проведение повторного контроля всей партии возврата.

Браковочные критерии, по которым производится браковка сварных швов труб, регламентируются международными и государственными стандартами. В

связи с тем, что трубы - это продукция дорогостоящая, разделение труб на годные и брак производится по категориям, в зависимости от последующего их применения. Кроме того, на трубосварочных предприятиях разработана целая система мероприятий по перепроверке дефектных участков труб после автоматизированного контроля, ремонту дефектных мест с последующей проверкой отремонтированных участков ручными дефектоскопами.

Действующими стандартами, кроме амплитудно-временного признака для принятых эхосигналов, используется оценка совокупности мелких дефектов на определенной протяженности по длине сварного шва и другие требования. Используемые в современных комплексах Интроскоп-01, Интроскоп-02.01 и Интроскоп-02.02 компьютерные мощности позволяют проводить обработку принятых сигналов по заданным критериям, что расширяет метрологические возможности установок, уменьшает перебраковку и пропуски дефектов, и повышает достоверность контроля.

Чувствительность контроля, устанавливаемая при настройке установок, определяется действующими стандартами для труб. Это, например, международные стандарты API 5L, ISO 9765. Этими стандартами регламентируется, что во время производства напорных труб большого диаметра полученных дуговой сваркой для качественной проверки, необходимо, помимо рентгеновского контроля, производить контроль сварного шва ультразвуковыми методами.

В соответствии с требованиями стандарта API 5L этот тест проводится после проведения гидроиспытаний. Контроль проводится для определения следующих типов дефектов: продольных, поперечных и объёмных дефектов. Эталонные отражатели регламентированы в соответствии с нормами API 5L.

Продольные дефекты - внутренние и внешние в виде прямоугольного паза длиной 50 мм, шириной 1 мм, глубиной 5% от толщины стенки (или не менее 0,2 мм и не более 1,6 мм). Положение ПЭП: параллельно шву снаружи и изнутри на таком расстоянии между собой в продольном направлении, чтобы получить раздельные показания для внутренних и внешних дефектов.

Поперечные дефекты - внутренние и внешние - прямоугольный паз длиной 20 мм, шириной 1 мм, глубиной 5% от толщины стенки, но не менее 0,2 мм и не более 1,6 мм, выполненный поперек шва изнутри и снаружи на таком расстоянии в продольном направлении, чтобы получить раздельные показания для внутренних и наружных дефектов. Альтернативно, чувствительность можно устанавливать, используя сквозные радиальные отверстия, диаметром 1,6 мм.

В качестве эталонных, при выявлении расслоений на концевых участках труб, используется плоскодонные отверстия диаметром 3, 5, 8 мм (в зависимости от толщины стенки), просверленные до половины толщины стенки в средине линии сканирования ПЭП для обнаружения расслоений, а также на расстоянии в одну четверть толщины стенки трубы на наружной и внутренней поверхностях.

Основные возможности и технические параметры установок сведены в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Технические характеристики установок УЗ контроля сварных швов труб

№ Параметры оборудования Наименование оборудования

УД-82УА Интроскоп-01 (в составе Интро-скоп-КСШ1) Интроскоп-02.01 (в составе НК360)

1 Объект контроля Сварной шов, сварка плавлением, толщина до 20 мм Сварной шов, сварка давлением, толщина до 12 мм Сварной шов, сварка плавлением, толщина до 50 мм

2 Количество каналов контроля 4 + 4 8-16 до 32

3 Построение системы Последовательная Модульная-последовательная Модульная-параллельная

4 Установка браковочных критериев Порог по амплитуде эхосигнала Многоуровневая Многоуровневая, по алгоритму

5 Возможность определения вида дефекта Да - нет Плоскостной, Объемно- плоскостной Плоскостной, Объемно-плоскостной, Объемный, Внутренний, Наружный

6 Возможность определения координаты дефекта Линейная Линейная с фиксацией в памяти ПК Линейная + зонально по высоте сварного шва с фиксацией в ПК

7 Возможность определения ориентации дефекта Продольный, Поперечный Продольный, Поперечный Продольный, Поперечный

8 Паспортизация, создание баз данных Самописец Есть Есть

9 Запоминание настроечных параметров, хранение результатов Нет Есть Есть, предусмотрено протоколирование настроек

10 Способ ввода изменяемых параметров контроля Аппаратно Программно Программно

11 Возможность изменения методик контроля и схем прозвучивания Нет Изменением программного обеспечения Изменением программного обеспечения

12 Управление дефекто-отметкой Есть Программно - по датчику линейного перемещения трубы Программно - по виду дефекта

13 Наличие выносного блока световой и звуковой сигнализации Нет Есть Есть

14 Реализация помехозащиты Аппаратно Многоуровневая, программно Многоуровневая, программно

15 Управления процессами работы установки Аппаратно Программно, ПК Программно, ПК

16 Вид и диапазон ВРЧ Линейная, 26 дБ Линейно-кусочная, 60 дБ Сложная линейно-кусочная, 60 дБ

Таблица 4

Технические характеристики установок УЗ контроля краевых полос концов труб

№ Параметры оборудования Наименование оборудования

УД-77БМ Интроскоп-01 (в составе Интроскоп-ККТ1) Интроскоп-02.02 (в составе НК362)

1 Объект контроля Полоса конца трубы (сварка давлением), Ь до 32 мм Полоса конца трубы (сварка давлением), толщина до 12 мм Полоса конца трубы (сварка плавлением), Ь до 48 мм

2 Количество каналов контроля 4 8-16 8-32

3 Построение системы Последовательная Модульная — последовательно- параллельная Модульная -параллельная

4 Размеры и количество, контролируемых друг за другом, полос 60 мм, до 3-х 30 мм, далее по спирали Полоса - 30 мм, до 6-ти полос

5 Переход на следующую полосу Ручной Автоматический Автоматический

6 Браковочные критерии Порог по амплитуде эхосигнала Порог по амплитуде Многоуровневая

7 Возможность определения координаты дефекта По полосам По полосам По полосе и круговому периметру с фиксацией в ПК

8 Возможность определения вида дефекта Расслоение: да - нет Расслоение: да - нет Расслоение, Плоскостной

9 Возможность определения ориентации дефекта Нет Нет Для плоскостных: продольный- поперечный

10 Паспортизация, создание баз данных Нет Есть Есть

11 Запоминание настроечных параметров, хранение результатов Нет Предусмотрено протоколирование настроек Предусмотрено протоколирование настроек

12 Способ ввода параметров контроля Аппаратно Программно Программно

13 Возможность применения новых методик контроля и схем Нет Изменением программного обеспечения Изменением программного обеспечения

14 Программное управление дефектоотмет-кой Нет Нет Программно — по датчику линейного перемещения трубы и виду дефекта

15 Наличие выносного блока световой и звуковой сигнализации Есть Есть Есть

16 Реализация помехозащиты Нет Программная Многоуровневая, программно

17 Управления процессами работы Аппаратно Промышленный компьютер Промышленный компьютер

18 Вид и диапазон ВРЧ Линейная, 26 дБ Линейно-кусочная Сложная линейно-кусочная, 60 дБ

В процессе эксплуатационных испытаний установок регулярно проводится исследование забракованных участков сварного шва и краевых полос концов труб, выполняется вскрытие дефектных мест с последующими металлографическими исследованиями. Достоверность выявления дефектов различного типа металла сварных швов и концов труб подтверждается статистическими данными. На рис. 21-28 приведены примеры характерных дефектов, обнаруживаемых установками.

Рис. 23. Форма грата на внутренней поверхности трубы

Рис. 24. Паукообразные трещины в металле сварного шва (обн. НК361)

Рис. 25. Небольшой непровар в средней части сварного шва (обн. НК361)

Рис. 26. Идеальная нормированная форма валиков усиления сварного шва электродуговой сварки

Рис. 27. Шлаковое включение на кромке внутреннего шва (обнаружено НК-360): размеры в сечении 2,7x1,1 мм

Рис. 21. Непровары, выходящие на наружную поверхность сварного шва труб, изготовленных сваркой давлением (обнаружено Интроскоп-КСШ1)

Рис. 22. Объёмно-плоскостные дефекты, выходящие на наружную поверхность сварного шва труб со снятым гратом заподлицо (обнаружено Интроскоп-КСШ 1)

Рис. 28. Дефект - раскатанное микровключение в основном металле конца трубы (обнаружено НК362 с Интроскоп-02.02): а, б - макроструктура; в - вид под микроскопом; г, д, е - фрагменты дефекта под микроскопом; а, в, д - поперечное сечение; б, г, е - продольное сечение

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании анализа современного состояния проблемы исследования методов и разработки технологии ультразвукового контроля электросварных труб в процессе их производства выбрано научно-техническое направление и сформулированы задачи развития теории и создания аппаратно-программных комплексов с использованием информационных технологий и достижений физики ультразвукового контроля:

1. Разработаны, теоретически обоснованы, методически и метрологически обеспечены, аппаратно реализованы и внедрены методология, методы, комплексы и установки ультразвукового контроля электросварных труб, как составной части интеллектуальной диагностики процесса их производства.

2. Исследованы и реализованы способы выявления и слежения за сварным швом труб, выполненных контактной сваркой, по увеличению затухания ультразвуковых колебаний и по шумовым сигналам в структуре металла сварного шва (патент № 2508).

3. Исследованы, разработаны и внедрены способы формирования следящей зоны контроля и автоматического слежения за швом, выполненным сваркой плавлением, на основе использования информативных эхосигналов из зоны сварного шва, учитывающих изменения угла ввода ультразвуковых колебаний в стенку трубы (патенты РМ № 3131, 3132 и 2889).

4. Исследованы, адаптированы и внедрены способы помехозащиты и автоматической регулировки усиления при изменении качества акустического контакта и температуры окружающей среды (A.c. СССР № 826831, № 1098393, патенты РМ № 2508, №2565).

5. Исследован и разработан алгоритм оценки характера отражающей поверхности дефекта корреляционным способом с целью идентификации вида дефекта при автоматизированном контроле шва.

6. Исследован вероятностный способ определения вида дефекта при автоматизированном ультразвуковом контроле сварного шва труб.

7. Разработана методология определения вида дефектов сварного шва комбинационным способом (патент РМ № 2839).

8. Исследован и разработан многоэлементный пьезопреобразователь для реализации электронного ультразвукового сканирования при контроле сварного шва труб большого диаметра.

9. Исследованы методы и разработана аппаратура выявления расслоений и измерения толщины стенки трубы большого диаметра при щелевом способе ввода ультразвука раздельно-совмещенным пьезопреобразователем, работающим на длинный радиочастотный кабель.

Ю.Разработаны принципы построения систем ультразвукового контроля сварных швов и концов труб с применением компьютерных технологий.

11.Разработаны алгоритмы обработки, регистрации информации и паспортизации труб на сдаточной стадии контроля.

12. Теоретические решения проблем проверены практической реализацией разработанных способов повышения достоверности и надежности УЗ контроля в алгоритмах работы программно управляемых многоканальных ультразвуковых комплексов Интроскоп-01 и Интроскоп-02. На базе данных комплексов построены автоматизированные установки для УЗ контроля сварных швов и концов труб: Интроскоп-KCIIIl, Интроскоп-ККТ1, НК360, НК361 и НК362. Используемая структура позволяет включить в работу систем контроля каждый из предложенных способов по отдельности, либо совместимые варианты их комбинаций в зависимости от используемой схемы прозвучивания сварного шва, параметров контролируемого шва или концевого участка трубы, толщины стенки трубы, скорости контроля и других факторов. На основании полученных результатов диссертационной работы разработаны и внедрены в промышленность комплексы многоканальных автоматизированных систем ультразвукового контроля электросварных труб:

• установки УД-82УА, серийно выпускавшиеся ПО «Волна», г. Кишинев, успешно выдержали Государственные испытания, сертифицированы органами Госстандарта Республики Молдова, Российской Федерации и прошли приемочные испытания на соответствие международно-признанным нормам. Установки УД-82УА использованы для автоматизированного контроля на Челябинском трубопрокатном, Харцызком и Новомосковском трубных заводах, производящих электросварные трубы (A.c. СССР № 953555, № 826831, № 1098393, № 998942), 14 комплектов установок УД-82УА внедрены на ОАО «Выксунский металлургический завод» (ОАО «ВМЗ») на шести участках контроля сварного шва труб большого диаметра 530 - 1020 мм, с толщиной стенки 6-32 мм, с валиком усиления;

многоканальные установки НЗД-008, внедренные в количестве 4-х штук в линиях ТЭСА на предприятии «ТЕПРО», г. Яссы, Румыния, и предназначенные для контроля труб 0 219-279 мм с толщиной стенки 4—6 мм, выполняемых сваркой давлением, с неснятым внутренним гратом (A.c. СССР № 998942, № 1627973). Внедрение установок позволило ежегодно выпускать 80- 100 тыс. тонн электросварных труб, многоканальные установки НКУ-108 и НКУ-108М для контроля спиральных швов труб 0 530 - 1620 мм с толщиной стенки 6-12 мм в линиях ТЭСА (A.c. СССР № 998942, № 1627973), поставленные по экспортному заказ-наряду в количестве 6-ти штук и внедренные на предприятии «Хели-Тубе», г. Бухарест, Румыния. Проведенная модернизация производства позволила увеличить ежегодный объем производства качественных спиральношовных труб до 200 тыс. тонн;

многоканальные компьютеризированные установки Интроскоп-KCIIIl и Интроскоп-KKTl на базе многоканального дефектоскопического комплекса Интроскоп-01 с оперативным использованием информации о результатах контроля сварных соединений и концов труб в процессе их производства, изготовленных сваркой давлением в линии производства электросварных труб 0 219 - 530 мм с толщиной стенки 4-12 мм в ОАО «ВМЗ». В процессе эксплуатации установка Интроскоп-01 прошла модернизацию, для неё разработано новое специализированное программное обеспечение, позволяющее реализовать разработанные способы повышения эффективности УЗ контроля сварных швов и концов труб (патенты РМ № 2507, № 2508 и №2565);

многоканальные автоматизированные дефектоскопические комплексы ультразвукового контроля электросварных труб Интроскоп-02.01 и Ин-троскоп-02.02, вошедших в состав установок НК-360, НК-361 и НК-362 с улучшенными техническими характеристиками, паспортизацией труб с оперативным использованием информации о результатах контроля сварных соединений и концов труб в процессе их производства. Системы внедрены в ОАО «ВМЗ» на семи участках в линиях производства электросварных труб, изготовленных сваркой плавлением. Для управления этими установками разработано специализированное программное обеспечение, которое адаптировано под различные требования норм и стандартов контроля электросварных труб и реализующее разработанные способы и устройства повышения эффективности УЗ контроля электросварных труб (A.c. СССР № 826831, № 1098393) (пат. РМ № 2108, № 2534, № 2839, № 2889, № 3131 и №3132). В период 2007-2013 г.г. при послегарантийном обслуживании комплексов Интроскоп-02.01 и Интроскоп-02.02 выполнено обновление аппаратно-программного и методического обеспечения установок (заменено ПО с целью увеличения производительности УЗ контроля труб и обеспечения самодиагностики комплексов Интроскоп, увеличена степень интеграции аппаратуры, повышена ее

надежность). Постоянное совершенствование систем контроля позволяет оперативно реагировать на новые запросы производителей труб.

• Разработанные и внедренные в промышленность способы и оборудование неразрушающего контроля в совокупности с современными передовыми технологиями обеспечивают высокую эффективность производства электросварных труб, обеспечивают их качество и соответствие требованиям отечественных и международных стандартов ГОСТ Р ИСО 3183-2009, API 5L, DIN EN 10246-15 и др.

• Общее количество комплексов и установок, разработанных под руководством и при непосредственном участии автора, поставленных трубным заводам России, Украины и Румынии, составило свыше 70 шт. в объеме около 8 млн. долларов США.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Монография:

1. Ткаченко A.A., Кирияков В.Ф. Автоматизированный ультразвуковой контроль сварных труб / Под ред. В.Т. Боброва. М.: ИД «Спектр», 2014. 190 с.

В рецензируемых изданиях:

2. Фак И.И., Коряченко В.Д., Ткаченко A.A. Типовая аппаратура установок для УЗ контроля сварных соединений. - Дефектоскопия, 1985, № 12. С. 53 -56.

3. Ткаченко A.A. О слежении за сварным швом трубы со снятым гратом при ультразвуковом контроле. - Контроль. Диагностика, 2004. № 5. С. 53 -61.

4. Ткаченко A.A., Кирияков В.Ф. Вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности автоматизированного ультразвукового контроля сварного шва труб тандем-методом. - Контроль. Диагностика, 2009, №9. С. 38-45.

5. Ткаченко A.A., Кирияков В.Ф. Некоторые особенности выявления расслоений в стальных толстостенных трубах при щелевом способе ввода ультразвука // Контроль. Диагностика, 2010, № 12. С. 9 — 15.

6. Ткаченко A.A. Исследование многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей для ультразвукового контроля сварных швов толстостенных труб // Контроль. Диагностика. 2013. № 10. С. 63 - 67.

7. Ткаченко A.A. Способы определения вида дефекта в сварном шве трубы при автоматизированном УЗ контроле. - Научный интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» (http://ipb.mos.ru/ttb/2013-4/). Выпуск № 4 (50) - октябрь 2013 г.

8. Ткаченко A.A. Комплексная диагностика сварных труб большого диаметра на стадии производства. Достижения физики неразрушающего кон-

троля: сб. научн. тр. /Под ред. Н.П. Мигуна. - Мн.: Институт прикладной физики HAH Беларуси, 2013. - 380 с. С. 343 - 350.

9. Ткаченко A.A. Повышение достоверности автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов при производстве труб большого диаметра. - Научный интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» (http://ipb.mos.ru/ttb/2014-l/2014-l.html#9). Выпуск №1 (53) - февраль 2014 г.

Ю.Ткаченко A.A. Интеллектуальные системы неразрушающего контроля электросварных труб в потоке производства // XX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике: доклады конференции. Москва, 3-6 марта 2014 г. М.: ИД «Спектр», 2014. CD. Д. 1239.

В других изданиях:

11. Ткаченко A.A., Гаврев B.C., Ралдугин А.Н. и др. Многоканальные установки УЗ неразрушающего контроля сварных труб в процессе производства. 16-я Российская НТК «Неразрушающий контроль и диагностика». С.Петербург, 2002. Труды конференции. Доклад 2-37.

12. Ткаченко A.A. Повышение достоверности ультразвукового контроля сварных швов труб с валиком усиления компьютеризированным дефектоскопом в линии ТЭСА. 1-я Национальная научно-техническая конференция и выставка «Методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», Кишинев, 2003. Материалы конф. С. 122-130.

13. Ткаченко A.A. Определение реальных параметров продольных дефектов при автоматизированном контроле сварных швов. Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Кн. «Приборостроение», ч. 2. М. 2003. С. 76 -79.

14. Ткаченко A.A. Автоматическая регулировка усиления тракта дефектоскопа при ультразвуковом контроле. 3-я Международная выставка и конференция «НК и ТД в промышленности», 17-18 марта 2004. Москва, ЦМТ. Программа конференции и тезисы докладов. С. 85.

15. Ткаченко A.A. Исследование способов помехозащиты и создание аппаратуры ультразвукового контроля сварных швов труб / Программа конф. и тез. докл. 3-й Междунар. выставки и конф. «НК и ТД в промышленности», 17-18 марта 2004. Москва, ЦМТ. С. 32.

16. Ткаченко A.A., Найда B.JL, Гаврев B.C. и др. Способы и оборудование для повышения надежности автоматизированного ультразвукового контроля продольных сварных швов труб в условиях их массового производства. Техническая диагностика и неразрушающий контроль 2004. № 4. С. 19-25.

17. Ткаченко A.A., Копылов А.П., Гаврев B.C. Распознавание формы выявленного дефекта при ультразвуковом контроле сварных швов. 4-я

Международная выставка и конференция «НК и ТД в промышленности», 17-18 мая 2005. Москва. Тезисы конференции. С. 48.

18. Бобров В.Т., Ткаченко A.A., Троицкий В.А. Развитие методов и средств автоматизированного ультразвукового контроля сварных труб в потоке производства. Материалы XVII Российской научно-технической конференции НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА (Электронный ресурс). Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2005. Электрон, опт. диск. Ст. Т2-12.

19. Ткаченко A.A., Найда B.JI., Копылов А.П. и др. Применение информационных технологий при создании установок ультразвукового контроля сварных труб в потоке производства. Материалы XVII Российской научно-технической конференции НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА (Электронный ресурс). Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2005. Электрон, опт. диск. Ст. Т2-26.

20.Ткаченко A.A. Автоматическое слежение за сварным швом с валиком усиления при нестабильности угла ввода ультразвуковых колебаний. 4-я Международная конференция «НК и ТД в промышленности», 17-18 мая 2005. М., Тезисы конференции. С. 63.

21.Ткаченко A.A. Акустическая система слежения за сварным швом труб при автоматизированном контроле. 5-я Международная конференция «НК и ТД в промышленности», 16-19 мая 2006. М., Машиностроение-1, тезисы конф. С. 58.

22. Ткаченко A.A., Найда B.JI., Копылов А.П. Обеспечение надежности автоматизированного ультразвукового контроля сварных труб при их производстве. - В мире НК, № 3(33), сентябрь 2006. С. 17 - 20.

23. Ткаченко A.A. Определение вида дефекта в сварных трубах при автоматизированном УЗ контроле тандем-методом. 6-я Международная конференция «НК и ТД в промышленности», 15-17 мая 2007. М., Машино-строение-1, труды. С. 25.

24. Ткаченко A.A., Кирияков В.Ф., Гаврев B.C. Оценка характера отражающей поверхности дефекта в сварном шве трубы при автоматизированном УЗ контроле. 6-я Международная конференция «НК и ТД в промышленности», 15-17 мая 2007. М., Машиностр.-1, труды. С. 150 - 152.

25. Ткаченко A.A. Применение управляющих комплексов в решении технологических задач автоматизированного ультразвукового контроля сварных труб. 7-я Международная конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», 11-13 марта 2008. М., Машиностроение, тезисы докладов. С. 44 - 46.

26. Ткаченко A.A. Контроль сварных швов толстостенных изделий с помощью многоэлементного наклонного пьезопреобразователя. 8-я Международная конференция «НК и ТД в промышленности», 18-20 марта 2009. М., Машиностроение, тезисы докладов. С. 47 - 48.

27. Tkachenko A., Kopylov A. Interconnecting Methods of Nondestructive Testing Welded Tubes in the Stream of Manufacture. Report // 10th European Con-

ference on Non-Destructive Testing: Reports. Rep. 1.13.3. M.: Publishing house Spektr, 2010. [CD],

28. Tkachenko A., Isaenko F., Kirijakov V. etc. Immersion Multi-Element Inclined Combined Transducer for the Control of Welded Seams of Big Diameter Pipes during the Manufacture. Report//10th European Conference on NonDestructive Testing: Reports. Rep. 1.11.14. M.: Publishing house Spektr, 2010. [CD],

29. Tkachenko A. Integrated Intelligent Systems of Non-Destructive Testing -Pledge of Quality of Manufacture of Welded Tubes for the Main Pipelines. International Conference 2nd International Conference on Innovations, Recent Trends and Challenges in Mechatronics, Mechanical Engineering and New High-Tech Products Development, MECAHITECH'10, Bucharest, 23-24 September 2010. Pp. 135- 145.

30. Tkachenko A. The Intelligent system of Automatic Tracking Behind the Welded Seam at the Ultrasonic Testing of Pipes. International Conference 2nd International Conference on Innovations, Recent Trends and Challenges in Mechatronics, Mechanical Engineering and New High-Tech Products Development, MECAHITECH'10, Bucharest, 23-24 September 2010. Pp. 146 - 154.

31. Tkachenko A., Kirijakov V. The Intelligent Ways of Definition of Type of Defect at the Automated Ultrasonic Testing a Welded Seam. International Conference 2nd International Conference on Innovations, Recent Trends and Challenges in Mechatronics, Mechanical Engineering and New High-Tech Products Development, MECAHITECH'10, Bucharest, 23-24 Sep. 2010. Pp. 172 - 176.

32. Ткаченко A.A., Исаенко Ф.И., Кирияков В.Ф. и др. Специализированные ультразвуковые преобразователи для контроля ответственных зон сварных труб.- XIX Всероссийская научно-техническая конференция по НК и ТД: тезисы докладов. Самара, 6-8 сентября 2011г. - Издательский дом «Спектр», 2011. С. 189 - 190.

33. Ткаченко А.А. Оптимизация параметров электроакустического тракта дефектоскопа при автоматизированном контроле краевых полос концов сварных труб.- XIX Всероссийская научно-техническая конференция по НК и ТД: тезисы докладов. Самара, 6-8 сентября 2011г. - Издательский дом «Спектр», 2011. С. 192 - 195.

34. Ткаченко А.А. О применении раздельно-совмещенного ПЭП в режиме приема эхосигналов,- XIX Всероссийская НТК по НК и ТД: тезисы докладов. Самара, 6 - 8 сентября 2011г. - ИД «Спектр», 2011. С. 197-198.

35. Ткаченко А.А. Особенности автоматизированного ультразвукового контроля стенки сварной трубы раздельно-совмещенным преобразователем. Сборник материалов XIX международной конференции «Современные методы и средства НК и ТД», 3-7 октября 2011г., Гурзуф - Киев: УИЦ «Наука. Техника. Технология», электрон, опт. диск. С. 101-103.

36. Ткаченко А.А. Исследование возможности применения щелевого акустического контакта при измерении толщины стенки труб. Зб1рник до-повщей 7-1 НацюнальноТ науково-техшчноУ конференцп "Неруйшвний

контроль та техшчна д1агностика - UkrNDT-2012" / Khïb: УТ НКТД, 20-23.11.2012. С. 93-96.

37. Ткаченко A.A. Автоматизированный ультразвуковой контроль сварных труб. Исследование способа определения типа дефекта. Сборник материалов XX международной юбилейной конференции «Современные методы и средства НК и ТД», 1-5 октября 2012г. Гурзуф-Киев: УИЦ «Наука. Техника. Технология», электрон, опт. диск. С. 55 - 58.

38. Tkachenko A.A. Developing of the tools and methods of complex diagnostics at the electrowelded pipes production flow // XX Russian Scientific Conference on Non-Destructive Testing and Diagnostics: Abstracts. Moscow, 3-6 March 2014. M.: Publishing house Spektr, 2014. Pp. 501- 505.

На разработанные способы и средства неразрушающего контроля получены следующие авторские свидетельства и патенты:

39. A.c. СССР № 826831. Способ УЗК качества сварных соединений с валиком усиления / В.Д. Коряченко, И.И. Фак, A.A. Ткаченко, В.Т. Бобров. Заявл. 07.12.79. Зарег. в Гос. реестре 04.01.1981.

40. A.c. СССР № 953555. Генератор ультразвуковых колебаний к дефектоскопу / В.Д. Коряченко, A.A. Ткаченко. 1982. Бюл. № 31.

41. A.c. СССР № 998942. Устройство для ориентации ультразвукового преобразователя / В.Д. Коряченко, Ю.А. Семенов, A.A. Ткаченко, A.B. Плясунов. 1983. Бюл. № 7.

42. A.c. СССР № 1098393. Способ ультразвукового контроля сварных швов / В.Д. Коряченко, A.A. Ткаченко, И.И. Фак. 1984. Бюл. № 32.

43. A.c. СССР № 1627973. Устройство для ультразвукового контроля / В.Д. Коряченко, A.A. Ткаченко, Г.П. Шишкин и др. 1991. Бюл. № 6.

44. Пат. Республики Молдова № 2108. Генератор ультразвуковых колебаний к дефектоскопу / Ткаченко A.A., Гаврев B.C., Сафронов И.И. и др. 2003. Бюлл. BOPI № 2.

45. Пат. Республики Молдова № 2507. Пьезоэлектрический преобразователь для ультразвукового контроля изделий / Ткаченко A.A. 2004. Бюлл. BOPI № 7.

46. Пат. Республики Молдова № 2508. Способ контроля акустического контакта при ультразвуковой дефектоскопии / Ткаченко A.A. 2004. Бюлл. BOPI № 7.

47. Пат. Республики Молдова № 2534. Способ ультразвукового контроля сварных швов с валиком усиления / Ткаченко A.A., Гаврев B.C. 2004. Бюлл. BOPI № 8.

48. Пат. Республики Молдова № 2565. Метод ультразвукового контроля сварного шва с гратом / Ткаченко A.A., Гаврев B.C., Кирияков B.C. 2004. Бюлл. BOPI № 9.

49. Пат. Республики Молдова № 2839. Способ ультразвуковой дефектоскопии сварных швов / Ткаченко A.A., Кирияков B.C. 2005. Бюлл. BOPI №8.

50. Пат. Республики Молдова № 2889. Способ автоматического слежения за сварным швом с валиком усиления. Ткаченко A.A., Найда B.JL, Гаврев B.C. и др. 2005. Бюлл. BOPI № 10.

51. Пат. Республики Молдова № 3131. Способ ультразвукового контроля сварных швов с валиком усиления. Ткаченко A.A., Гаврев B.C., Кирияков В.Ф. 2006. Бюлл. BOPI № 8.

52. Пат. Республики Молдова № 3132. Способ ультразвуковой дефектоскопии сварных швов с валиком усиления. Ткаченко A.A., Гаврев B.C., Кирияков В.Ф. 2006. Бюлл. BOPI № 8.

НИИНК АО «Интроскоп», Кишинёв, Республика Молдова

На правах рукописи УДК 620.179.16

05201451322

Ткаченко Андрей Акимович

Развитие методов, разработка оборудования и технологии ультразвукового контроля электросварных труб в процессе производства

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Бобров В.Т.

Москва-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений и основных обозначений.........................................................5

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

Глава 1. Ультразвуковой контроль электросварных труб.

Обзор состояния........................................................................................................14

1.1 .Металлургические аспекты сварки труб.......................................................16

1.2.Технология производства электросварных труб большого диаметра ......18

1.3 .Дефекты сварных швов труб, возникающие при сварке давлением.........24

1.4.Дефекты сварных швов труб, возникающие при сварке плавлением.......27

1.5.Методы и оборудование УЗ контроля сварных швов труб.........................30

1.6.Факторы, влияющие на достоверность автоматизированного

УЗ контроля сварных швов труб.........................................................................33

1.6.1.Смещение сварного шва относительно акустического блока...............34

1.6.2.Состояние акустического контакта..........................................................35

1.6.3.Индустриальные и акустические помехи................................................37

1.6.4.Форма и пространственное положение дефектов..................................38

1.7.Вывод ы..............................................................................................................40

Глава 2. Исследование акустического тракта при УЗ контроле

сварных швов труб....................................................................................................43

2.1.Анализ прохождения ограниченного пучка импульса

сдвиговых волн в металл стенки трубы...............................................................43

2.2.Зависимость амплитуды эхосигнала от расстояния до точки ввода сдвиговых волн и влияние её характера на параметры контроля.....................47

2.3.Влияние температуры на угол ввода сдвиговых волн в металл

стенки трубы...........................................................................................................50

2.4.Возможность использования зависимости амплитуды

эхосигнала от расстояния до точки ввода сдвиговых волн..............................53

2.5.Выбор зоны контроля в зависимости от расстояния до точки ввода сдвиговых волн.......................................................................................................55

2.6,Особенности прохождения импульса УЗ волн через контактный

слой жидкости........................................................................................................61

2.7.Снижение влияния акустического контакта применением автоматической регулировки усиления...............................................................64

2.8.Вывод ы..............................................................................................................67

Глава 3. Особенности автоматизированного контроля

сварных швов труб....................................................................................................69

3.1.Контроль сварного шва труб со снятым гратом заподлицо........................69

3.1.1.Выявление участка периметра трубы, содержащего сварной шов......69

3.1.2.Выявление и слежение за сварным швом по шумовым сигналам........80

3.1.3.Выявление непроваров и продольных трещин в сварном шве трубы дельта-методом...................................................................................................85

3.1.4.Выявление поперечных трещин сварного шва трубы...........................86

3.2.Контроль сварного шва труб с гратом на внутренней поверхности..........89

3.2.1 .Регулировка канала дефектоскопии по эхосигналам от грата движущегося шва................................................................................................89

3.2.2.Использование эхосигналов от грата при автоматической регулировке усиления.........................................................................................96

3.3.Контроль сварного шва труб с нормированной формой

валиков усиления...................................................................................................98

3.3.1.Слежение зоны контроля по эхосигналам от дальней кромки

валика усиления шва..........................................................................................98

3.3.2.Исследование способов помехозащиты и регистрации эхосигналов от дефектов металла шва...........................................................109

3.3.3.Компенсация нестабильности акустического тракта автоматической регулировкой усиления........................................................114

3.3.4.Схема прозвучивания шва и структурная схема дефектоскопа.........115

3.3.5.Вероятностный и корреляционный способы повышения достоверности контроля сварного шва труб..................................................124

3.3.6.Возможность определения вида дефекта сварного шва......................138

3.3.7.Многоэлементный пьезопреобразователь для контроля

сварного шва труб большого диаметра..........................................................140

3.4.0собенности контроля сварного шва труб с ненормированной

формой валика усиления.....................................................................................149

3.5.Выводы............................................................................................................153

Глава 4. Автоматизированный ультразвуковой контроль

концевых участков труб.........................................................................................155

4.1.Выявление расслоений в стальных трубах при щелевом

способе ввода ультразвука..................................................................................155

4.2.Использование щелевого акустического контакта при измерении

толщины стенки труб...........................................................................................170

4.3.Выводы............................................................................................................175

Глава 5. Создание установок ультразвукового контроля

электросварных труб в потоке производства.......................................................177

5.1.Принципы построения установок автоматизированного

УЗ контроля электросварных труб.....................................................................177

5.2.Структурные схемы установок для автоматизированного

УЗ контроля труб..................................................................................................182

5.2.1.Установки автоматизированного УЗ контроля сварного шва............182

5.2.2.Установки автоматизированного УЗ контроля концевых

участков труб.....................................................................................................200

5.2.3.Структура программного обеспечения установок

УЗ контроля сварного шва и концов труб......................................................205

5.3.Метрологические аспекты автоматизированного

УЗ контроля электросварных труб....................................................................210

5.4.Некоторые результаты испытаний установок.............................................214

5.5.Вывод ы............................................................................................................216

Основные выводы и результаты работы...............................................................219

Список литературы.................................................................................................224

Приложения.............................................................................................................242

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АРУ - Автоматическая регулировка усиления

ВРЧ - Временная регулировка чувствительности

ДП - Приёмник УЗ сигналов при контроле шва дельта-методом

ИИ - Измерительный интервал

КСЖ - Контактный слой жидкости

ПЭП - Пьезоэлектрический преобразователь

ПК - Промышленный компьютер

ПО - Программное обеспечение

СИ - Синхроимпульс

СТИ - Строб-импульс

ТЭСА - Трубоэлектросварочный агрегат

УЗ - Ультразвук, ультразвуковой

ЭЛТ - Электронно-лучевая трубка

аш - Угол ввода пучка сдвиговых волн в металл стенки трубы

Агр - Эхосигнал от грата шва

Ад - Эхосигнал от дефекта шва

Ак - Эхосигнал от дальней кромки валика усиления

Аш - Шумовой сигнал ультразвука

Р - Угол падения волн на поверхность изделия из призмы ПЭП

Сж - Скорость ультразвука в жидкости

С/ - Скорость продольных волн в призме ПЭП

С, - Скорость сдвиговых волн в стали

с1 - Толщина стенки трубы

с1ж - Толщина контактного слоя жидкости

Юц - Коэффициент прозрачности при прохождении через границу сред

продольных волн и их трансформации в сдвиговые волны

{Д} - Серия донных эхосигналов

/ж - Частота УЗК

Кж - Волновое число УЗК

Ь0 - Текущее расстояние по периметру трубы от точки ввода сдвиговых

волн до отражателя, расположенного в центре шва

Хж - Длина волны УЗК в жидкости

- Длина сдвиговой волны в стали

Ьо - Оптимальное расстояние по периметру трубы от точки ввода сдвиговых волн до отражателя, расположенного в центре шва

Р - Давление в ультразвуковой волне

? - Текущее время

т - Дискретное текущее время

1нт - Постоянная времени

Тзс - Период повторения зондирующих сигналов

Тиит - Период интегрирования

т„ - Дискретная постоянная времени

Приоритетными направлениями развития отечественной науки, техники и технологий является энергоэффективность, энергосбережение и рациональное природопользование, в связи, с чем обеспечение эффективности, надежности и безопасности объектов добычи, транспортировки и потребления нефти, газа и продуктов их переработки, развитие энергетики, химической промышленности и других отраслей требует постоянного наращивания объемов производства качественных электросварных труб, являющихся основным звеном в структуре стоящихся магистральных и локальных продуктопроводов. Это, в свою очередь, стимулировало активизацию проектирования и строительства высокопроизводительных трубоэлектросварочных агрегатов (ТЭСА), представляющих собой автоматизированные станы с непрерывным циклом производства электросварных труб. Высокая эффективность производства электросварных труб, введение в эксплуатацию ТЭСА индукционной и радиочастотной сварки, позволивших повысить скорость сварки до 1.. .2-х м/сек и существенно улучшить качество сварных швов, обеспечили расширение областей применения электросварных труб. Накоплен значительный опыт использования таких труб взамен более дорогих бесшовных труб без потери надежности в таких ответственных системах как гидравлические напорные линии. Широко используются электросварные трубы в качестве обсадных при обустройстве нефтяных и газовых скважин. Трубы большого диаметра - прямошовные и спиральношовные, которые используются при строительстве магистральных газонефтепроводов, производятся сваркой плавлением.

Анализ схемы технологического потока ТЭСА показывает, что в процессе изготовления труба проходит несколько десятков технологических операций, в той или иной мере влияющих на качество сварного шва. Любые отклонения параметров техпроцесса сварки, а также исходного металла (ленты, штрипса, листа) влияют на возникновение дефектов сварного шва и на прочностные параметры сварной трубы в целом. В связи с этим важную роль в обеспечении оптимальных режимов сварки и качества сварного шва играют являющиеся не-

7

отъемлемой частью технологии и технологического оборудования неразру-шающие методы и средства контроля качества сварных труб. Из мировой практики известно, что стоимость операций неразрушающего контроля (НК) достигает 20-25% от общей стоимости сварных конструкций, а трудоёмкость контроля сопоставима с трудоёмкостью сварки. По зарубежным данным на техническую диагностику и периодическое обследование затрачивается не менее 1015% общей стоимости трубопроводов. Тем не менее эти затраты многократно меньше потерь, с которыми приходится иметь дело при ликвидации аварий на нефтегазопроводах, наносящих огромный материальный и экологический ущерб.

Очевидно, что обеспечить высокую эксплуатационную надёжность сварных труб можно только при 100 % - ном контроле с использованием комплекса высокопроизводительных методов и аппаратуры НК. Для обоснованного выбора методов контроля выполнены исследования, разработаны аппаратура, технологии и методики контроля, обеспечившие приемлемый уровень качества производства труб. Но в процессе эксплуатации трубопроводов и других сооружений и конструкций с применением сварных труб всё ещё выявляется значительное количество дефектов, связанных с нарушением технологии сварки и недостаточным объёмом и качеством НК. В комплексе методов НК, используемых при производстве электросварных труб, важнейшее место занимают ультразвуковой, рентгещтелевизионный, магнитографический и др. Каждый из методов НК имеет свои особенности, достоинства и недостатки, которые не позволяют решить проблему контроля сварных швов труб всеобъемлюще. Это связано и с тем, что в силу различия используемых технологий и методов сварки возникающие дефекты отличаются видом, размерами, местоположением и другими характеристиками. Несмотря на достижение значительного прогресса, многие проблемы автоматизированного УЗ контроля сварных швов еще далеки от своего решения.

Необходимость решения указанных проблем потребовала проведения новых исследований, разработки методологии, новых методов и более совершен-

8

ных средств НК сварных труб. Современные средства НК для контроля сварных швов и концевых участков труб представляют собой сложный комплекс механических устройств, акустических блоков, аппаратуры и управляющих вычислительных комплексов (УВК) с использованием промышленных компьютеров. Применение УВК существенно расширяет возможности УЗ контроля электросварных труб, но требует разработки специальных алгоритмов и программного обеспечения для решения проблем комплексной диагностики процесса их производства.

Цель данной диссертационной работы состоит в решении проблемы повышения эффективности производства, достоверности ультразвукового нераз-рушающего контроля электросварных труб и надежности функционирования нефтегазопроводов. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.

В первой главе дан краткий анализ причин отказов магистральных трубопроводов, структура видов дефектов, выявляемых в электросварных трубах при производстве и степень их опасности. Описаны методы производства труб сваркой давлением и сваркой плавлением, основные этапы технологии производства прямошовных труб большого диаметра, как наиболее востребованных для строительства ответственных трубопроводных магистралей, охарактеризованы основные виды дефектов, возникающих в сварном шве при различных видах сварки. Сформулированы проблемы, влияющие на достоверность автоматизированного УЗ контроля сварных швов и околошовной зоны труб, определены известные способы компенсации влияющих факторов и задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты исследований акустического тракта применительно к условиям автоматизированного контроля сварных швов труб с целью определения условий выбора зоны контроля металла шва при осциллирующем и не осциллирующем характере амплитуды эхосигнала от дефекта в зависимости от расстояния до него. Исследовано влияние температуры звеньев акустического тракта на смещение зоны контроля и предложены решения по выбору зоны контроля сварных швов труб в потоке производства. Ис-

9

следованы и разработаны способы автоматического формирования следящего строб-импульса, формирования управляющих сигналов автоматической регулировки усиления (АРУ) и контроля качества акустического контакта.

В третьей главе теоретически исследованы и разработаны способы повышения достоверности автоматизированного контроля сварного шва труб, выполненных контактной сваркой со снятым гратом заподлицо путем выявления сварного шва и слежения за ним по информационным сигналам из зоны сварного шва, применения перспективных методов выявления опасных плоскостных дефектов в сварном шве. Предложены варианты регулировки канала дефектоскопии и автоматической регулировки усиления тракта по эхосигналам от внутреннего грата движущегося шва. Особое внимание уделено решению проблем УЗ контроля сварных труб большого диаметра с валиком усиления. Это исследование и разработка способов слежения за сварным швом и формирования следящих строб-импульсов, по информативным сигналам от кромок валика усиления, учитывающим изменение угла ввода УЗ колебаний, исследование и разработка способов помехозащиты и регистрации сигналов от дефектов, варианты компенсации нестабильности акустического тракта автоматической регулировкой усиления. Исследована теория вероятностного и корреляционного способов повышения достоверности автоматизированного УЗ контроля сварного шва труб, позволяющих определять вид выявленного дефекта по относительной вероятности появления определенных сочетаний эхосигналов от дефекта, представленных в бинарном коде при движении шва относительно неподвижной акустической системы пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). Для контроля сварных швов толстостенных труб большого диаметра с целью упрощения конструкции акустического блока разработан многоэлементный наклонный ПЭП, позволяющий, в том числе, определять вид выявленного дефекта шва, используя относительную вероятность получения сигналов от нескольких пьезопластин ПЭП как сочетания нескольких битов.

В четвертой главе исследованы особенности выявления дефектов типа

«расслоение» в металле стенки краевых полос концов труб, а также возмож-

10

ность автоматизированного изме