Акустико-эмиссионный контроль качества сварных швов объектов морской техники

Б01: 10.24937/2542-2324-2019-1-8-1-130-136 УДК 620.179.17

С.А. Карлов, В.А. Сульженко, А.В. Яковлев

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия

АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ ОБЪЕКТОВ МОРСКОЙ ТЕХНИКИ

В статье рассматриваются возможности применения метода АЭ для оценки технического состояния объектов морской техники, в том числе методология и результаты контроля судовых трубопроводных систем при их пневматических испытаниях, контроль качества сварных соединений корпусных конструкций непосредственно в процессе их изготовления.

Ключевые слова: акустико-эмиссионный контроль, монтажный сварной шов, судовая трубопроводная система, качество процесса сварки.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Б01: 10.24937/2542-2324-2019-1-8-1-130-136 ИБС 620.179.17

S.A. Karlov, V.A. Sulzhenko, A.V. Yakovlev

Krylov State Research Center, St. Petersburg, Russia

ACOUSTIC EMISSION-BASED WELDING QUALITY CONTROL OF MARINE TECHNOLOGY

This paper discusses the potential of acoustic emission-based methods in technical condition assessment of marine technology, including methodology and results of marine pipeline checks during pneumatic tests and welding quality control of hull structures directly in the process of their manufacturing.

Keywords: acoustic emission-based control, mounting weld, marine pipeline, welding quality.

Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Введение

Соединение металлических конструкций сваркой является основным технологическим процессом при строительстве и ремонте объектов морской техники. При этом область сварного шва по совокупности факторов, снижающих работоспособность сварных соединений, как правило, является наиболее вероятным эпицентром зарождения разрушения. По этой причине достоверность неразрушаю-щего контроля (НК) сварных конструкций является одной из наиболее ответственных задач при технической диагностике объектов морской техники.

В судостроительной отрасли наиболее широко используются такие традиционные методы НК, как радиографический (РГК) и ультразвуковой (УЗК).

Метод РГК имеет высокую эффективность при выявлении объемных дефектов, таких как поры и шлаковые включения, однако в отношении наиболее опасных плоскостных дефектов его достоверность невысока. УЗ-контроль может иметь низкую чувствительность при обнаружении пор и шлаковых включений, но более надежен при выявлении непро-варов и трещин. При контроле наиболее ответственных конструкций указанные методы НК, как правило, применяются комплексно.

Методы УЗК и РГК ориентированы на оценку степени опасности дефекта, соответственно, по эквивалентной площади или по размеру отпечатка на снимке. Однако при этом не учитывается степень остроты создаваемой дефектом концентрации, при-

Для цитирования: Карлов С.А., Сульженко В.А., Яковлев А.В. Акустико-эмиссионный контроль качества сварных швов объектов морской техники. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 130-136.

For citations: Karlov S.A., Sulzhenko V.A., Yakovlev A.V. Acoustic emission-based welding quality control of marine technology. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 130-136 (in Russian).

водящей к росту локальных эксплуатационных напряжений, которые и определяют реальную степень опасности дефектов.

Объектам морской техники присуща конструктивная сложность, а также зачастую труднодоступ-ность их отдельных районов для проведения полноценного контроля методами УЗК и РГК, поэтому даже при их комплексном использовании нет гарантии полного отсутствия в объекте контроля потенциально опасных дефектов.

Перечисленные выше проблемы дают основание утверждать, что задача совершенствования технологий НК в судостроительной отрасли, особенно при изготовлении крупногабаритных сварных корпусных конструкций, является достаточно актуальной. Опыт специалистов ФГУП «Крылов-ский ГНЦ» показывает, что для решения данной задачи необходимо включение в технологический процесс заводского контроля также и метода аку-стико-эмиссионного контроля (АЭК). При этом метод АЭК следует рассматривать как равноправный и самостоятельный метод, дополняющий комплекс традиционно используемых методов НК. Это утверждение основывается на том, что метод АЭК имеет ряд отличительных особенностей.

Метод АЭК базируется на регистрации преобразователями акустической эмиссии (ПАЭ), расставленными на поверхности контролируемой конструкции, волн релаксации упругой энергии, возникающих при локальном разрушении материала при его деформировании. То есть, по своей физической сущности метод АЭ способен выявлять только развивающиеся дефекты, которые в связи с этим являются и наиболее опасными.

Одним из наиболее перспективных направлений использования АЭК в судостроении является контроль процесса сварки. В этом случае деформированное состояние материала реализуется естественным образом за счет растягивающих напряжений, возникающих при остывании сварочной ванны. При этом в отличие от методов РГК и УЗК, которые при сварке могут выполняться только фрагментарно, по мере заполнения разделки, АЭК способен выявлять недопустимые дефекты оперативно, в ходе выполнения сварочных проходов. Это дает возможность снизить трудоемкость процесса исправления дефектов, а также уменьшить негативные последствия для прочностных характеристик участка шва, которые возникают в случае глубокой выборки дефекта и последующей заварки.

Основным недостатком метода АЭ, как инструмента НК, является отсутствие в его резуль-

татах информации о геометрических параметрах, ориентации и глубине залегания дефекта. Традиционные методы НК также не способны измерить реальные размеры дефекта, однако информация о геометрии дефекта, которую они предоставляют, позволяет установить завышенные браковочные критерии, обеспечивающие запас по прочности.

Учитывая уникальные особенности каждого из представленных методов НК, авторы считают, что на сегодняшний день наиболее высокая эффективность диагностики предопасного состояния конструкций может быть достигнута только при их комплексном применении. В статье, на практических примерах рассмотрены особенности метода АЭК, подтверждающие актуальность его включения в качестве штатного метода контроля при изготовлении ответственных судостроительных конструкций. Следует отметить, что все работы по АЭК, описанные в данной статье, были выполнены с использованием аппаратуры типа КАЭМС разработки ФГУП «Крыловский ГНЦ» [1].

АЭК монтажных сварных соединений трубопроводных систем

На заключительном этапе строительства подводных лодок проводятся испытания сварных соединений трубопроводов воздуха высокого давления (ВВД), выполняемых непосредственно на заказе. Рабочее давление в системах ВВД может достигать 40 МПа, при этом нормативными документами предписано производить испытания таких трубопроводов давлением, в 1,5 раза превышающем рабочее. Практически все заводы судостроительной отрасли оснащены компрессорным оборудованием, создающим давление не более 40 МПа. По этой причине проведение пневматических испытаний трубопроводов ВВД в полном объеме невозможно. В результате заводам приходится производить гидравлические испытания таких систем с последующей операцией их осушки, что крайне трудоемко и в отдельных случаях сопряжено с частичной разборкой уже испытанных трубопроводов.

В обеспечение решения указанной проблемы совместными усилиями ФГУП «Крыловский ГНЦ», НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» и АО «Адмиралтейские верфи» был выполнен комплекс экспериментальных работ, показавший принципиальную возможность выявления методом АЭ развивающихся дефектов в сварном шве на первом цикле его нагружения до рабочего давления [2].

В результате была разработана методология АЭК при пневматических испытаниях монтажных сварных швов трубопроводов ВВД, которая впоследствии прошла отработку при проведении штатных пневматических испытаний трубопроводов на заказах, строящихся на АО «Адмиралтейские верфи» [3]. Это позволило выпустить методику АЭК по оценке качества монтажных швов [4], включающую критерии оценки степени их дефектности, которая была введена в отраслевой стандарт [5].

Начиная с 2012 г., АЭ-контроль по разработанной методике используется при проведении пневматических испытаний судовых трубопроводных систем на строящихся заказах в АО «Адмиралтейские верфи». Применение разработанной методологии АЭ-контроля позволило [6]:

уменьшить трудоемкость изготовления судовых трубопроводов путем замены их гидравлических испытаний на прочность на испытания сжатым воздухом с понижением испытательного давления, которые не требуют последующих трудоемких операций по осушке трубопроводных систем;

повысить достоверность и надежность оценки качества монтажных швов, учитывая их трудно-доступность для качественного проведения РГК из-за высокой плотности монтажа трубопроводов;

повысить эффективность контроля качества судовых трубопроводов за счет выявления наиболее опасных дефектов типа трещин, что, в конечном итоге, обеспечивает эксплуатационную надежность объектов морской техники.

В общей сложности к настоящему времени выполнены работы на 15-ти заказах, проконтролировано около 11 тыс. монтажных сварных швов. В результате применения АЭ-контроля почти в 250 швах выявлены недопустимые дефекты, пропущенные методом РГК. Кроме того, в одном из сварных соединений в процессе испытаний был зарегистрирован АЭ-источник, имеющий тенденцию к катастрофическому развитию, в результате чего, с целью недопущения возможного разрушения сварного шва, при давлении 26 МПа нагружение было остановлено, и дефектный сварной шов был исправлен.

В настоящее время внедрение технологии АЭК монтажных сварных соединений трубопроводов ВВД проводится на АО «ЦС «Звездочка».

АЭК процесса сварки титановых сплавов

При сварке титановых сварных швов нарушение газовой защиты может приводить к образованию

объемных окислений. Опасность этих дефектов заключается в том, что на стадии остывания сварочной ванны они являются источниками массового образования микротрещин, которые при эксплуатации могут объединяться в магистральную трещину и поэтому представляют реальную угрозу для надежности свариваемой конструкции.

Объемные окисления практически не выявляются традиционными методами НК. В связи с этим совместно с НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» были проведены экспериментальные исследования по оценке возможности диагностирования объемных окислений, образующихся при сварке конструкций из титановых сплавов, методом АЭК. В ходе этой работы была продемонстрирована высокая эффективность метода АЭ для оперативного выявления дефектов подобного типа непосредственно в процессе сварки. Полученные результаты в дальнейшем прошли успешную апробацию при контроле сварного шва опытной крупногабаритной поковки из титанового сплава на АО «ПО «Севмаш».

Полученный опыт применения АЭК для контроля процесса сварки титановых сплавов позволил успешно использовать этот метод при изготовлении на ООО «Балтийский завод-Судостроение» глубоководного аппарата для китайского заказчика [7]. АЭК выполнялся как в процессе сварки корпуса, так и при вварке его основных конструктивных элементов. Сварка выполнялась неплавящимся электродом в среде защитного газа в щелевую разделку.

Диагностика сварных швов методом АЭ на ООО «Балтийский завод-Судостроение» позволила:

выявить опасные дефекты, имеющие тенденцию к активному развитию;

сократить объемы работ по контролю качества традиционными методами НК за счет адресного их применения по указаниям АЭК;

оперативно производить выборку недопустимых дефектов, что позволило существенно снизить трудоемкость исправления дефектных участков сварного шва, а также исключить внесение избыточной термической энергии, приводящей к разупрочнению материала.

Важно отметить, что часть выявленных методом АЭ трещин была пропущена при выполнении РГК, эффективность которого, как известно, существенно зависит от ориентации плоскостного дефекта относительно направления просвечивания. Таким образом, применение метода АЭ в данной работе обеспечило высокое качество изготовления

корпуса глубоководного аппарата и его эксплуатационную надежность.

По результатам комплекса проведенных работ совместно с НИЦ «Курчатовский институт» -ЦНИИ КМ «Прометей» был выпущен руководящий документ [8], который регламентирует методику проведения АЭК в процессе выполнения сварных соединений аргонодуговой сваркой при изготовлении конструкций из сплавов типа ПТ-3В и 5В.

Еще одним примером успешного применения метода АЭ для контроля процесса сварки титановых сплавов является работа, выполненная для АО «НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля». В данном случае метод АЭ позволил решить задачу диагностики сварных соединений при изготовлении ответственных корпусных конструкций, часть из которых была недоступна для проведения контроля традиционными методами НК. В обеспечение этого была изготовлена специализированная аппаратура и разработана методика АЭК.

АЭК процесса ручной электродуговой сварки под флюсом

Диагностика методами НК качества сварных швов в составе корпусных конструкций подводной техники, выполняемых ручной электродуговой сваркой покрытыми электродами, имеет большие методологические проблемы. Как правило, эти швы имеют большую толщину и выполняются из аустенитных материалов. Однако большая толщина шва резко снижает разрешающую способность метода РГК, а использование аустенитных сталей, ввиду анизотропии их акустических свойств и большого затухания УЗ-волн, существенно снижает достоверность УЗ-контроля.

В последние годы в АО «ПО «Севмаш» с целью сокращения сроков строительства и повышения надежности диагностики качества сварных швов вварки различных ответственных узлов в основной корпус заказов ряда проектов дополнительно привлекается метод АЭК. В том числе и специалисты ФГУП «Крыловский ГНЦ» выполняют большой объем работ по АЭ-контролю качества сварных соединений в процессе их изготовления.

В обеспечение этого в АО «ПО «Севмаш» была выполнена экспериментальная работа по АЭК сварных соединений опытных образцов в процессе их выполнения [9]. При этом решались следующие задачи:

оценка принципиальной возможности выявления методом АЭ сварочных дефектов, которые моделировались в процессе выполнения сварных соединений;

отработка технологии АЭ-контроля качества аустенитных сварных швов, имитирующих шов вварки ответственных узлов в основной корпус изделий морской техники.

В сварном шве опытного образца в процессе его изготовления «естественным» образом, путем нарушения технологии сварки, моделировались различные виды сварочных дефектов (непровары, несплавления, трещины). Дефекты закладывались на различных стадиях формирования сварного шва: в корне, по линии сплавления и в усилении сварного шва. Для моделирования сварочных дефектов рабочая зона сварного шва была разделена на 8 равных участков по 100 мм каждый.

Результаты контроля качества сварного шва на опытном образце № 3 представлены в таблице. Здесь для каждого участка, на котором был внесен дефект,

Результаты контроля качества сварного соединения на опытном образце №3 различными методами НК

Номер участка опытного образца № 3 Тип моделируемого дефекта

Метод НК №1, непровар №3, трещина №4, сварочный дефект №5, непровар №6, несплавление №8, непровар

РГК Не годен Не годен Нет Нет Не годен Допустим

УЗК Допустим Допустим Допустим Не годен Не годен Не годен

АЭК Допустим Не годен Не годен Допустим Не годен Допустим

Наличие дефекта на макрошлифе Есть Есть Есть Есть Есть Есть

указан его номер (обозначены как № 1 + № 8), тип вносимого дефекта и результаты контроля используемых в данной работе методов НК, а также результаты исследования макрошлифов.

Из таблицы следует, что ни один из методов контроля не классифицировал все дефекты как недопустимые. Стоит также обратить внимание, что, несмотря на общие для РГК и УЗК критерии оценки опасности дефектов по условным размерам, их результаты о недопустимости дефекта совпали только для несплавления на участке № 6. Тем не менее, комплексная оценка качества сварного соединения на образце № 3 штатными методами НК (РГК и УЗК) позволила выявить недопустимые дефекты на пяти участках контроля из шести.

Особого внимания заслуживает участок №4, где дефекты не моделировались. Однако на этом участке методом АЭ в процессе сварки был выявлен источник АЭ, свидетельствующий о наличии в этом месте сварного соединения недопустимого, развивающегося дефекта. Впоследствии дефект на участке № 4 был подтвержден результатами исследований макрошлифов. Таким образом, методом АЭ был зафиксирован реальный сварочный дефект, появившийся в процессе сварки вследствие нарушения технологии.

Результаты проведенной экспериментальной работы показали, что для оценки качества выполнения сварных соединений метод АЭК следует рассматривать как самостоятельный метод НК, расширяющий возможности контроля качества сварных швов и обеспечивающий выявление наиболее опасных, развивающихся дефектов.

При внедрении АЭК для оценки качества процесса сварки на заказах, строящихся на АО «ПО «Севмаш», потребовалось апробировать комплекс алгоритмических, методологических и аппаратурных решений.

В частности, одной из важнейших методологических задач АЭ-диагностики является достоверное определение координат источников АЭ. Сварные швы судокорпусных конструкций зачастую имеют сложную геометрическую форму. При этом ответственные сварные швы, как правило, выполняются из аустенитных марок сталей, в которых затухание АЭ-сигнала значительно. Кроме того, ввариваемые узлы могут иметь полости большого диаметра, через которые прохождение ультразвуковых колебаний невозможно. В результате, применение традиционных подходов, базирующихся на определении координат источника АЭ по известным уравнениям локации, для контроля подобных объектов встречает большие трудности. Для решения задачи досто-

верного определения местоположения источников АЭ в сварных швах, имеющих перечисленные особенности, был разработан и внедрен универсальный алгоритм локации [10].

Сварные соединения, диагностируемые методом АЭ на АО «ПО «Севмаш», выполняются ручной электродуговой сваркой покрытыми электродами. Сварка под флюсом сопровождается высокой интенсивностью и большим объемом регистрируемой информации. При этом АЭК проводится на фоне других работ, многие из которых создают мощный поток акустических помех. Большое количество регистрируемых сигналов предъявляет очень высокие требования к быстродействию аппаратуры АЭ и к ее программно-алгоритмическому обеспечению. В АЭ-аппаратуре КАЭМС основные параметры импульсов определяются в платах сбора данных. Это позволяет производить фильтрацию очевидных сигналов помех по заданным критериям уже на аппаратном уровне [11]. Кроме того, отпадает необходимость передачи оцифрованной волновой формы импульса в модуль сбора, что принципиально снижает нагрузку на информационный канал связи. Для фильтрации более сложных типов помех в аппаратуре КАЭМС реализована многоуровневая система фильтрации, позволяющая выстраивать сложные каскады фильтров.

Кроме того, процесс ручной электродуговой сварки покрытыми электродами сопровождается помехами от растрескивания шлаковой корки, которые по акустическим характеристикам могут быть практически неотличимы от сигналов, излучаемых трещиной. Для представления информации, зарегистрированной при АЭК процесса сварки, в методологии ФГУП «Крыловский ГНЦ» используется ее коорди-натно-временное распределение. Это позволяет анализировать акустическую картину при остывании локального района сварного шва, когда влияние сигналов помех минимально, а дефект способен активно развиваться под действием термических напряжений. В качестве примера на рисунке показано координат-но-временное распределение событий АЭ, зарегистрированных аппаратурой КАЭМС при выполнении фрагмента сварочных работ. Здесь по оси абсцисс показаны участки РГК (№ 4 + № 14) и относительное расположение ПАЭ (№ 17 и № 18), а по оси ординат - время выполнения сварочных работ.

Из представленного рисунка следует, что на участке № 5 сварного шва зарегистрирован источник АЭ, обладающий совокупностью следующих признаков:

активное излучение сигналов АЭ с высокой степенью опасности по параметру «Обобщенная Степень Опасности» [12] в локальном месте сварного шва после прохождения сварочной дугой данного участка шва, т.е. на начальной стадии его остывания;

повторная регистрация активного источника АЭ-сигналов в данном месте сварного шва на последующих проходах.

По методологии АЭ-контроля, используемой ФГУП «Крыловский ГНЦ», перечисленные критерии являются необходимыми признаками наличия в сварном шве недопустимых развивающихся дефектов, выявление которых является основной задачей метода АЭ-контроля. Стоит отметить, что выявленный источник АЭ находился на перекрестье контролируемого сварного соединения с пазовым сварным швом, поэтому контроль этого участка сварного шва методом УЗК был возможен не в полном объеме.

Выводы

Результаты представленных работ позволяют сделать вывод об актуальности введения метода АЭК в качестве одного из штатных методов в техпроцесс контроля качества сварных швов изделий подводной техники. При этом применение метода АЭ позволит повысить их эксплуатационную надежность, учитывая использование для изготовления основных корпусных конструкций современных объектов подводной техники сталей и титановых сплавов высоких категорий прочности, процесс сварки которых является трудоемким и требует высокой квалификации сварщиков.

Библиографический список

1. Гуменюк В А, Яковлев А.В., Сульженко В А, Иванов Ю.Г. Многоканальная многофункциональная акустико-эмиссионная система диагностики состояний конструкций и сооружений // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1997. Вып. 5. С.78-83.

2. Гуменюк В.А., Казаков Н.А., Яковлев А.В. Контроль технологических трубопроводов с применением многопараметрической системы классификации акустико-эмиссионных источников // Безопасность труда в промышленности. 2005. №10. С.49-53.

3. Гуменюк В А, Казаков НА, Сульженко В А, Яковлев А В. Акустико-эмиссионный контроль монтажных сварных швов судовых трубопроводных систем // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. № 9. С.36-40.

Координатно-временное распределение сигналов АЭ, зарегистрированных при АЭК процесса сварки

4. РД ИМЯН.219-2009 Монтажные сварные соединения. Трубопроводы воздушных и газовых систем изделий 21. Акустико-эмиссионный контроль. Методика.

5. ОСТВ5Р.5501-81 Системы корабельные и системы корабельных энергетических установок. Материалы и испытательные давления.

6. Сульженко В А, Казаков В А, Красиков СВ. Акусти-ко-эмиссионный контроль как метод оценки качества сварных швов судовых трубопроводных систем // Труды Крыловского государственного научного центра. 2014. Вып. 82. С.73-80.

7. Гуменюк В А, Казаков НА, Сульженко В А. Акусти-ко-эмиссионный контроль процесса сварки корпуса глубоководного аппарата // В мире неразрушающего контроля. 2007. №1. С.38-42.

8. РД5.АЕИШ.3322-2007 Акустико-эмиссионный контроль сварных соединений из сплавов типа ПТ-3В и 5В. Методические указания.

9. Результаты АЭ-контроля качества сварных швов при изготовлении опытных образцов на ОАО «ПО «Севмаш». Научно-технический отчет ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Вып. 47413. 2013.

10. Карлов С.А. Универсальный алгоритм локации источников акустической эмиссии // Труды Крылов-ского государственного научного центра. 2018. Специальный выпуск 1. С.121-129.

11. Яковлев А.В., Соснин В А. Цифровая обработка акустических импульсов в системе акустико-эмиссионной диагностики КАЭМС // Электронный журнал «Техническая акустика». ЬИр://е|1а/ощ. 2018, № 3.

12. Гуменюк В А, Сульженко В А, Казаков В А, Яковлев А.В. Система классификации степени опасности источников акустической эмиссии и критерии экспресс-оценки состояния объектов на основе не-

четкой логики // Контроль. Диагностика. 2003. № 1. С.49-53,57.

Сведения об авторах

Карлов Сергей Анатольевич, инженер I категории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Телефон: +7 (812) 415-47-58. E-mail: aepro1988@mail.com.

Сульженко Виктор Алексеевич, начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Телефон: +7 (812) 415-47-58. E-mail: V_Sulzhenko@ksrc.ru. Яковлев Александр Викторович, старший научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Телефон: +7 (812) 415-47-58. E-mail: versy59@yandex.ru.

Поступила / Received: 01.03.19 Принята в печать / Accepted: 08.04.19 © Коллектив авторов, 2019