Разработка технологий АЭ-контроля и их практическая реализация

Д.М. Гуреев, С.В. Ямщиков

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ АЭ-КОНТРОЛЯ И ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Разработаны технологии акустико-эмиссионного (АЭ) контроля процесса вытяжки насосных штанг, восстановления труб демонтированных трубопроводов, сварки труб и последующей эксплуатации трубопроводов, а также аппаратные и программные средства практической реализации данных технологий.

Введение. При разработке ряда технологических процессов и их последующем освоении важное место отводится использованию активных методов неразрушающего контроля, обеспечивающих корректировку параметров этих процессов и отбраковку изделий. К числу таких методов неразрушающего контроля, в первую очередь, относится АЭ-метод, основанный на регистрации и анализе акустических волн, возникающих в материалах при развитии в них процессов структурной перестройки и разрушения [1-4].

В настоящей работе приведены результаты разработки и практической реализации АЭ-контроля технологических процессов правки вытяжкой насосных штанг, гидроиспытания восстанавливаемых труб демонтированных трубопроводов, индукционной сварки плетей труб, а также использования АЭ-метода для решения наиболее актуальной задачи контроля состояния труднодоступных подводных участков трубопроводов в процессе их эксплуатации.

Реализация АЭ-контроля. Технологический цикл процесса правки насосных штанг с исходной длиной преимущественно 8,5 м, диаметром 19 мм, изготовленных из стали 20Н2М, включал в себя: закрепление торцов насосной штанги в машине растяжения, вытяжку штанги в течение 2 минут при усилии до 4-106 Н/м2 и выдержку ее в растянутом положении в течение 3 минут. АЭ-контроль процесса правки насосных штанг осуществлялся на стадии выдержки. Использовался двухканальный вариант АЭ-системы, поскольку в данном случае важным представлялось выявление месторасположения критических дефектов, возникающих и развивающихся в процессе пластического деформирования насосных штанг. АЭ-преобразователи стационарно устанавливались на узлах крепления торцов насосной штанги машины растяжения. Регистрировались АЭ-события, их энергетика и координаты АЭ-активных областей.

В результате предварительных экспериментальных исследований с использованием эффекта Кайзера эмпирически определен порог числа регистрируемых АЭ-событий в заданном интервале изменения энергетического параметра, превышение которого служит предпосылкой к отбраковке штанг.

Технология контроля восстанавливаемых труб демонтированных трубопроводов основана на проведении предварительного неразрушающего контроля, включающего в себя визуальный и измерительный контроль труб, ультразвуковую толщинометрию их стенок и измерение твердости металла, дефектоскопию, и последующих гидроиспытаний с одновременным АЭ-контролем за состоянием металла труб и сварных швов с целью оперативного выявления скрытых развивающихся дефектов. Процесс контроля и отбраковки труб осуществляется после правки труб, чистки их наружных и внутренних поверхностей и рассортировки труб по наружному диаметру, толщине стенки и длине. На каждом этапе предварительного неразрушающего контроля при выявлении недопустимых дефектов трубы отбраковываются и выводятся из дальнейшего технологического процесса контроля. Завершающий этап контроля и отбраковки труб осуществляется в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 10705-80, ГОСТ 8731-87 по группе Д — с нормированием испытательного гидравлического давления при 100% контроле по ГОСТ 3845-75. Сопутствующий гидроиспытаниям АЭ -контроль как и в случае процесса правки насосных штанг основан на регистрации и анализе АЭ-сигналов (их числа и энергетики) с целью выявления АЭ-активных областей [5], для чего используется двухканальная АЭ-система и линейная схема регистрации с расположением АЭ-преобразователей вблизи торцов труб.

В соответствии с разработанной технологией к эксплуатации допускаются трубы, выдержавшие гидроиспытания и по результатам АЭ-контроля не имеющие скрытых развивающихся дефектов.

Акустико-эмиссионный контроль процесса сварки с формированием кольцевых швов реализован при индукционной сварке плетей труб длиной 10 м, диаметром преимущественно 219 мм и толщиной стенки 11 мм, изготовленных из стали 20. Технологический цикл процесса ин-

дукционной сварки включал в себя: нанесение на торцевые шлифованные поверхности свариваемых труб слоя раскислителя, приведение этих поверхностей в плотное соприкосновение внутри индуктора, нагрев зоны сварки в течение 50...60 сек до температуры 1150...1180 °С, дополнительное поджатие труб друг к другу при сжимающем давлении порядка 7-106 Н/м2, отключение электронагрева и остывание зоны сварки. АЭ-контроль осуществлялся на стадии остывания сварного шва. Временной интервал АЭ-контроля определялся временем охлаждения сварного шва до температуры 40.60 °С. Регистрировались временные распределения АЭ-событий и энергетического параметра. Задача стояла не в определении местоположения возможных дефектов в сварных швах, а в выявлении и отбраковке в целом швов, характеризующихся интенсивным дефектообразованием при их формировании. Поэтому использовался одноканальный вариант АЭ-системы. АЭ-преобразователь прикреплялся к поверхности одной из свариваемых труб с помощью магнитного держателя на расстоянии около 1 м от места стыка (сварки) труб после приведения их в соприкосновение и до начала проі©сноннгревзультат разработки АЭ-контроля процесса индукционной сварки плетей труб сводится к выявлению условного критерия отбраковки дефектных сварных швов из анализа временных зависимостей числа АЭ-событий и энергетического параметра (рис. 1 и 2). Динамика АЭ -параметров прослеживалась, исходя из условий теплоотвода, задаваемых теплофизическими характеристиками стали, геометрическими размерами свариваемых труб, конвективным теплообменом зоны сварного шва с окружающей средой [6], и достижения в процессе охлаждения сварного шва температур развития структурно-фазовых превращений и перехода стали из области пластической деформации в область упругой деформации [7].

1 с

1-і  - '

У

< їх й< -и та о Ц XI-.!

мн с

2 а» 1 •» Л 1. , І, ,1 , 1. и и

< : > » к : и :х >

Р и с. 1. Результат АЭ-контроля для качественного сварного шва

Р и с. 2. Результат АЭ-контроля для дефектного сварного шва

Выявление условного критерия отбраковки дефектных сварных швов осуществлялось на основе сопоставительного анализа результатов АЭ-контроля с данными механических испытаний произвольно выбранных сформированных сварных швов на статический изгиб по ГОСТ 6996-66. На завершающем этапе для проверки надежности выявленного условного критерия отбраковки было проконтролировано более 40 сварных швов, из которых АЭ-методом было отбраковано около 15 %. Механические испытания на статический изгиб полностью подтвердили результаты АЭ-контроля.

Что касается трубопроводов вообще и их подводных участков в частности, технология АЭ-контроля включает в себя следующее. На берегах, в местах выхода трубопровода из воды, в шурфах на металлическую поверхность трубопровода устанавливают АЭ-преобразователи (по одному на каждом берегу). При ширине водного участка более 100 м АЭ -преобразователи необходимо также установить на локальных участках подводной части трубопровода из расчета один АЭ-преобразователь на 50.100 м длины трубопровода. АЭ-преобразователи надежно крепятся к металлической поверхности с помощью магнитных прижимов. Для хорошего акустического контакта поверхность трубы перед установкой на нее АЭ-преобразователя зачищают до металлического блеска. АЭ-преобразователи можно установить таким образом как для проведения разовых диагностических работ, так и для постоянного мониторинга состояния трубопровода в процессе его эксплуатации. В последнем случае места установки АЭ-преобразователей вместе с самими АЭ-преобразователями покрывают изоляцией для предотвращения воздействия внешней среды на металлическую поверхность трубопровода.

АЭ-преобразователи после их локальной установки на металлической поверхности трубопровода с помощью кабелей подсоединяются к АЭ-блоку регистрации и анализа АЭ-сигналов. Обработка поступающих АЭ-сигналов с выявлением критических параметров (числа АЭ-событий, их энергии, амплитуды, времен задержки и нарастания и т. п.) и месторасположения развивающихся дефектов осуществляется с помощью компьютера по специально разработанной программе. В основе технологии АЭ-контроля состояния трубопроводов лежит эффект Кайзера - развивающийся дефект проявляет себя на стадиях повышения или понижения давления при повторных нагружениях контролируемого участка трубопровода.

Разработанная нами система регистрации АЭ-сигналов построена по модульному принципу, где базовый АЭ-блок имеет восемь каналов регистрации. Вся система может быть размещена либо на стационарном посту регистрации, установленном на одном из берегов водоема, либо на передвижной лаборатории.

Реализация АЭ-контроля осуществлена на базе созданного нами универсального аппаратно-вычислительного комплекса, включающего в себя базовую восьми канальную АЭ-систему «Раскат» (Сертификат Яи.Е.27.004.Л № 13171) и диагностические программные пакеты «ВаГ-е8Ъ>, «ТиЪе1е81», «Ше1&е81» и «Апетоп». При разработке АЭ-прибора мы исходили из того, чтобы он был прост, удобен и надежен в эксплуатации, имел небольшие размеры и вес, обладал высокой чувствительностью регистрации АЭ-сигналов, имел низкую себестоимость и удовлетворял основным требованиям, предъявляемым к приборам данного типа [5]. При этом максимально реализованы преимущества использования современной элементной базы. Внешний вид АЭ-системы «Раскат» показан на рис. 3.

На уровне программного обеспечения конечный результат АЭ-контроля адаптирован к требованиям реальных условий производства. При необходимости процесс АЭ-контроля сводится к простому нажатию кнопки «Пуск» на специальном пульте управления и регистрации результата контроля путем высвечивания одной из двух сигнальных ламп «Г оден» или «Не годен», которые расположены на этом же пульте рядом с кнопкой «Пуск» (рис. 4). При этом мы исходили из того, чтобы АЭ-контроль мог проводить специалист со средним уровнем квалификации.

Заключение. Таким образом, на базе созданного аппаратно-вычислительного комплекса разработаны и практически реализованы АЭ-технологии контроля процессов вытяжки насосных штанг, гидроиспытания восстанавливаемых труб демонтированных трубопроводов, индукционной сварки плетей труб, а также контроля состояния труднодоступных подводных участков трубопроводов в процессе их эксплуатации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Грешников В. А., Дробот Ю. Б. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М.: Издательство стандартов, 1976. 272 с.

2. Артюхов В. И., Вакар К. Б., Макаров В. И., ОвчинниковН. И., Перевезенцев В. Н., Ржевкин В. Р., Шемякин В. В., Яковлев Г. В. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике. М.: Атомиздат, 1980. 216 с.

3. Иванов В. И., Белов В. М. Акустикоэмиссионный контроль сварки и сварных соединений. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.

4. Коллакот Р. Диагностика повреждений. М.: Мир, 1989. 497 с.

5. ПБ 03-595-03. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технических трубопроводов. М.: Госгортехнадзор России, 2003. 57 с.

6. РыкалинН. Н. Расчет тепловых процессов при сварке. М.: Машиностроение, 1951. 296 с.

7. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1983. 360 с.

Поступила 18.01.2005 г.