СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОНСТРУКЦИИ
METHOD FOR ASSESSING THE QUALITY OF A WELDED JOINT OF A METAL STRUCTURE

Изобретение относится к неразрушающим методам диагностики сварных соединений и может быть использовано при оценке их качества как сразу после формирования, так и после длительной эксплуатации металлических конструкций без разрушения и вырезки образцов.
Известен способ контроля зоны термического влияния сварных соединений [1], заключающийся в том, что сварное соединение подвергают термическому воздействию, регистрируют сигналы акустической эмиссии и по их параметрам судят о качестве сварного соединения, при этом сигналы акустической эмиссии инициируют локальным термическим воздействием поочередно в точках контроля, расположенных на линии, перпендикулярной сварному шву, строят зависимость параметров данных сигналов для каждой контрольной точки от ее расстояния до сварного шва, по указанной зависимости оценивают размер зоны термического влияния, как расстояние между наиболее удаленными от сварного шва контрольными точками, в которых значение суммарной энергии акустических сигналов ниже, чем в основном (не подвергнутом термическому влиянию при сварке) металле сварного соединения.
Недостатками данного способа являются:
- трудоемкость, обусловленная необходимостью дополнительного нагрева зоны исследования и применения дополнительного прибора для регистрации сигналов акустической эмиссии;
- способ не применим к эксплуатируемой металлической конструкции;
- низкая точность полученных результатов.
Наиболее близким к заявленному является способ неразрушающего контроля качества термообработки сварных соединений [2], заключающийся в том, что измеряют твердость металла сварного соединения в одной или нескольких точках и по снижению полученных результатов после термообработки судят о качестве термообработки сварного соединения, после чего дополнительно регистрируют магнитное поле рассеяния над сварным соединением до и после термообработки, определяют его неравномерность и по степени снижения неравномерности магнитного поля рассеяния после термообработки по отношению к неравномерности магнитного поля рассеяния до термообработки судят о качестве термообработки сварного соединения.
Недостатками данного способа являются:
- трудоемкость, обусловленная необходимостью применения дополнительных приборов для измерения значений физических величин магнитного поля рассеяния (напряженности магнитного поля, магнитной индукции, градиента магнитного поля, градиента магнитной индукции и т.п.);
- низкая достоверность полученных результатов, обусловленная тем, что неравномерность магнитного поля рассеяния позволяет судить только о качестве термообработки сварного соединения.
Задачей изобретения является оптимизация процесса оценки качества сварного соединения.
Техническим результатами заявленного изобретения является возможность количественной оценки состояния металла околошовной зоны, сокращение времени определения качества сварного соединения, повышение безопасности процесса оценки качества сварного соединения, повышение точности полученных результатов.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается способом, согласно которому измеряют твердость участков зоны термического влияния, рассчитывают дисперсию твердости участка зоны термического влияния, рассчитывают эталонное значение размера зоны термического влияния, оценивают качество сварного соединения путем сравнения результатов.
В качестве пояснения приводим следующее.
Работоспособность металлической конструкции характеризуется определенной гетерогенностью механических свойств фаз металла, которая может быть определена в результате многократного измерения твердости и последующего расчета дисперсии твердости. Зная дисперсию твердости, можно определить свойства структуры металла конструкции.
Для доказательства зависимости дисперсии твердости от состояния структуры металла конструкции был проведен металлографический анализ структуры металла конструкции.
В качестве металлической конструкции была взята труба из бывшего в эксплуатации трубопровода. Из участка трубы вырезали образцы металла, довели до размера готового шлифа способом, обеспечивающим сохранение структуры металла, а именно механической резкой с небольшой скоростью реза и принудительным охлаждением. После чего поверхность образцов отшлифовали и отполировали до зеркального блеска на установке для приготовления металлографических шлифов МР-2. Отполированный образец изучили под микроскопом Альтами MET 5Т для исключения наличия неметаллических примесей. Для изучения микроструктуры шлифов стравили поверхностный слой 4-х процентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. После травления образцы были изучены под микроскопом с шагом 1 см в соответствии с ранее нанесенной разметкой.
На фиг. 1 представлена структура металла в геометрическом начале разметки, на фиг. 2 - структура металла в геометрическом конце разметки. Из фигур 1 и 2 структур металла получили переход от столбчатого крупнозернистого строения зерен металла к измельченному нормальному строению. Для установления зависимости дисперсии твердости от структуры металла на этом же образце была измерена твердость металла, рассчитана дисперсия твердости с использованием программного обеспечения и построена гистограмма зависимости значений дисперсии от координат размеченных участков. Зависимость оказалась идентична результатам металлографического анализа микрошлифов.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
При наличии коррозии на поверхности металлической конструкции зачищают участок (20,5*20,5 см), после чего наносят разметку от сварного соединения в сторону основного металла размером 20 см и вдоль сварного соединения также 20 см. Разметку разделяют на участки с шагом 1 см, получают 20 участков размером 1*20 см. Ультразвуковым измерителем твердости (например, МЕТ-1У) с использованием датчика с усилием вдавливания индентора 14,7 Н измеряют твердость металла металлической конструкции на каждом размеченном участке 50-100 раз. По полученным данным рассчитывают дисперсию твердости с использованием программного обеспечения (табличного редактора) или электронного вычислительного устройства (например, калькулятора). Далее строят зависимость значений дисперсии твердости от координат разметки, нанесенной на поверхность металлической конструкции. Точку перехода от максимальных значений дисперсии твердости к минимальным фиксируют в качестве границы зоны термического влияния, после чего рассчитывают эталонное значение размера участка зоны термического влияния для данной металлической конструкции по любой известной из источников информации в данной области техники формуле, например,
где L - ширина участка нагрева, см;
q - эффективная тепловая мощность, Вт;
е - основание натуральных логарифмов, е=2,718;
ΔТ - приращение температуры;
v - скорость сварки, см/с;
3
сρ - объемная теплоемкость, сρ=4,9 Дж/(см⋅К);
δ - толщина металла, см.
Сравнивают значения координаты на графике с эталонным значением размера зоны термического влияния сварного соединения. По разнице полученных значений по графику относительно эталонного делают заключение о качестве сформированного сварного соединения.
Пример 1 практической реализации.
Зачищают стальную трубу газопровода диаметром 1420 мм, толщиной стенки 18,7 мм, находящуюся в эксплуатации с внутренним давлением 2,3 МПа, наносят разметку относительно продольного сварного соединения размером 20*20 см. Разметку разлиновывают на участки размером 20 см вдоль сварного соединения и 1 см по окружности трубы. Измеряют твердость на каждом размеченном участке 100 раз. Общее количество измерений на зачищенном участке - 2000 шт. Данные заносят в программное обеспечение (например, Microsoft Excel) с использованием электронно-вычислительной машины. Используя функционал программного обеспечения вычисляют значения дисперсии (среднее) для каждого размеченного участка. Строят диаграмму зависимости дисперсии твердости от координат размеченных по окружности участков, которая представлена на фиг. 3. Определяют точку перехода от максимальных значений к минимальным - 10,59 см.
ЗТВэт
Рассчитывают эталонный размер зоны термического влияния по формуле, получают L=10,11 см. Качество сварного соединения оценивают, как отношение меньшего значения к большему, в данном примере отношение эталонного размера к полученному из диаграммы, а именно 95,47%.
Пример 2 практической реализации.
Зачищают стальную трубу газопровода диаметром 720 мм, толщиной стенки 15,6 мм, бывшую в эксплуатации, наносят разметку относительно продольного сварного соединения размером 20*20 см вдоль сварного соединения и 1 см по окружности трубы. Измеряют твердость на каждом размеченном участке 100 раз. Общее количество измерений на зачищенном участке - 2000 шт. Данные заносят в программное обеспечение Microsoft Excel с использованием электронно-вычислительной машины. Используя функционал программного обеспечения Microsoft Excel вычисляют значения дисперсии (среднее) каждого размеченного участка. Строят диаграмму зависимости дисперсии твердости от координат размеченных по окружности участков, которая представлена на фиг. 4. Определяют точку перехода от максимальных значений к минимальным -13,6 см.
ЗТВэт
Рассчитывают эталонный размер зоны термического влияния по формуле, получают L=7,86 см. Качество сварного соединения оценивают, как отношение меньшего значения к большему, в данном примере отношение эталонного размера к полученному из диаграммы, а именно 57,79%.
Пример 3 практической реализации.
На участок около сварного соединения листа металла прямоугольной формы толщиной 22 мм наносят разметку 20*20 см. Разметку разлиновывают на участки размером 20 см вдоль сварного соединения и 1 см в сторону основного металла. Измеряют твердость на каждом размеченном участке 100 раз. Общее количество измерений на зачищенном участке - 2000 шт. Данные заносят в программное обеспечение Microsoft Excel с использованием электронно-вычислительной машины. Используя функционал программного обеспечения Microsoft Excel вычисляют значения дисперсии (среднее) каждого размеченного участка. Строят диаграмму зависимости дисперсии твердости от координат размеченных участков, которая представлена на фиг.5. Определяют точку перехода от максимальных значений к минимальным - 9,41 см.
ЗТВэт
Рассчитывают эталонный размер зоны термического влияния по формуле, получают L=8,96 см. Качество сварного соединения оценивают, как отношение меньшего значения к большему, в данном примере отношение эталонного размера к полученному из диаграммы, а именно 95,22%.
Таким образом, предлагаемый способ оценки качества сварного соединения прост в реализации, поскольку не требует дополнительного нагрева образцов металлической конструкции и применения дополнительного оборудования; результат оценки более точный, так как значение координаты получают по графику с точностью до миллиметра; результаты способа подтверждены металлографическим исследованием, являющимся наиболее достоверным при изучении структуры металла.
Список источников:
1. Патент РФ №2534448, опубл. 27.11.2014.
2. Патент РФ №2296319, опубл. 27.03.2007.