Ультразвук и радиография - два ос­новных вида контроля сварных соедине­ний ответственного назначения, способ­ных выявлять как внутренние, так и на­ружные дефекты. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками.

Преимущества и недостатки ра­диационных (рентгенографического) методов контроля по сравнению с ульт­развуковыми. Прежде всего, рентгено­графический метод обеспечивает получе­ние достоверной информации о фактиче­ском объеме выполненного контроля. Факт и результаты контроля сварного со­единения регистрируются на радиографи­ческом снимке, причем наличие на снимке маркировки позволяет определить, какое сварное соединение просвечено.

Радиационные методы с высокой достоверностью обнаруживают некоторые типы дефектов, особенно объемные де­фекты типа пор и шлаковых включений. Радиационные методы более точно, чем ультразвуковой метод, позволяют изме­рить линейные размеры выявленных де­фектов. В практике радиографического контроля накоплен большой опыт интер­претации результатов. Изображения де­фектов, получаемые при радиографии, близки к оптическим, а потому они срав­нительно легко расшифровываются де- фектоскопистами, а также сварщиками и эксплуатационным персоналом. Сущест­вуют атласы, помогающие быстро клас­сифицировать тот или иной дефект. Ра­диография позволяет многократно воз­вращаться к анализу снимка и уточнять результаты контроля.

Вместе с тем радиографические ме­тоды контроля обладают существенными недостатками. Прежде всего, это опас­ность радиоактивного излучения для пер­сонала, выполняющего контроль, и окру­жающих лиц. Расходы на контроль до­вольно велики в связи с высокой стоимо­стью расходных материалов, прежде все­го, рентгеновской пленки. Оборудование и специальные помещения для контроля также стоят довольно дорого. Невысока достоверность методов в отношении об­наружения наиболее опасных дефектов типа трещин.

Достоинства и недостатки ультра­звукового метода по сравнению с ра­диографией. Ультразвук хорошо отража­ется от наиболее опасных дефектов типа трещин. Контроль более мобилен: его можно выполнять практически в любых условиях. Ультразвук очень малой мощ­ности, используемый в дефектоскопии, полностью безвреден для персонала и, тем более, для окружающих лиц.

Вместе с тем ультразвуковой метод в его традиционном исполнении имеет ряд недостатков по сравнению с радиографи­ей. Прежде всего он не оставляет объек­тивного документа, позволяющего уста­новить, проверено или непроверено дан­ное сварное соединение. Документом о контроле является заключение дефекто - скописта, которое может быть необъек­тивным.

Во многих отношениях ультразвуко­вой метод уступает радиографическому по информативности. Форма дефекта при обычном ультразвуковом контроле оцени­вается весьма грубо. Требуется использо­вание специальных методов в дополнение к обычно применяемому эхометоду: эхо­зеркального (тандем), дифракционно­временного (TOFD), дельта-метода и др. В лучшем случае удается разделить де­фекты на объемные (шлаковые включе­ния, поры) и плоскостные (трещины, не­провары).

Поскольку характер дефекта - основ­ной показатель при решении вопроса о его допустимости, критерии оценки сварных соединений по показаниям обычного ультразвукового контроля достаточно формальны. Данные ультразвукового ме­тода в его традиционном исполнении ско­рее характеризуют качество работы свар­щика, чем действительную опасность най­денных дефектов для прочности сварного соединения.

Количественное сравнение радио­графического и ультразвукового видов контроля. Сравним оба метода по чувст­вительности и точности измерения разме­ров дефектов. Чувствительность радио­графического контроля по проволочным и канавочным эталонам для толщин 10 ... 40 мм составляет 0,2 ... 0,5 мм. Чувстви­тельность к реальным дефектам характе­ризуется следующими данными (ГОСТ 7512). Поры и включения могут не выяв­ляться, если диаметр их поперечного се­чения меньше удвоенной чувствительно­сти по эталону. Непровары и трещины могут не выявляться, если их глубина меньше удвоенной чувствительности кон­троля. Например, для толщины до 40 мм эти дефекты не выявляются, если раскры­тие их менее 0,1 мм. Они также не выяв­ляются, если плоскость раскрытия не сов­падает с направлением просвечивания

Точность определения размеров де­фектов по длине (вдоль и поперек шва) при радиографическом контроле весьма высока и сравнима с точностью визуаль­ного метода. Геометрическая нерезкость изображения не должна превышать для толщин 10 ... 40 мм значений 0,1 ...

0,25 мм. Этими цифрами и можно оцени­вать погрешность измерения дефектов по протяженности.

Размеры дефектов по толщине свар­ного соединения определяют по сравне­нию потемнений на снимке, вызываемых дефектом и канавочным эталоном. Если судить по геометрическим размерам сту­пеней в канавочном эталоне, то для тол­щины 10 мм можно оценивать размер де­фекта по толщине с погрешностью 0,1 мм, а для толщины 40 мм - с погрешностью 0,25 мм. Однако фактически оптическая плотность изображения дефектов сильно зависит от формы и размеров дефекта, поэтому ГОСТ 7512 не предусматривает определения размеров дефектов в направ­лении просвечивания.

При ультразвуковом контроле чувст­вительность настраивают по искусственн - ным отражателям: плоскодонному отвер­стию диаметром 2 ... 3 мм или эквива­лентным по амплитуде эхосигнала заруб­кам. Плоскодонное отверстие - оптималь­но выявляемый искусственный дефект. Реальные дефекты выявляются значитель­но хуже, чем плоскодонное отверстие.

Дефекты типа непроваров и верти­кальных трещин хорошо выявляются, если от них принимаются зеркальные отраже­ния ультразвука. Неблагоприятно ориен­тированные дефекты плохо выявляются при контроле эхометодом, так как зер­кально отраженные от них лучи не попа­дают на излучающе-приемный преобразо­ватель. Такие дефекты можно обнаружи­вать путем регистрации дифракционных волн от краев трещин при чувствительно­сти в 5 ... 10 раз выше обычно применяе­мой (при контроле по совмещенной схе­ме).

Возможный путь повышения надеж­ности выявления плоских вертикальных дефектов - применить дифракционно-вре­менной (TOFD), дельта-, эхозеркальный (тандем) методы. При их использовании не требуется такого большого повышения чувствительности, как при контроле со­вмещенным преобразователем, однако кон-

5.11. Чувствительность и точности измерения размеров дефектов при
радиографическом и ультразвуковом контроле

троль этими методами выполняется слож­нее, чем обычным эхометодом, в частно­сти требуется использование двух преоб­разователей: излучателя и приемника.

Ультразвуковой метод плохо выявля­ет объемные дефекты типа пор и шлаков. Например, расчеты показывают, что для поперечных волн в стали на частоте

2,5 МГц при настройке чувствительности по плоскодонному отверстию диаметром 2,2 мм (площадь 4 мм2) диаметр выявляе­мой сферы будет 12,5 мм. Реальные поры отличаются от идеальной сферы. Они, например, могут иметь плоские участки поверхности, дающие большую амплиту­ду эхосигнала. Однако, как показала прак­тика, выявляемость пор ультразвуком пло­хая.

Измерение размеров дефектов при традиционном ультразвуковом контроле выполняется с большими погрешностями. Конкретные значения погрешностей при измерении протяженности дефекта вдоль шва приведены в табл. 5.11. Они относят­ся к дефектам размером 10 ... 20 мм и бо­лее. Измерение размера дефекта по высоте сварного соединения еще более неточно. В лучшем случае удается определить, имеется развитие дефекта по высоте или нет.

Сопоставление радиографии и ульт­развука при практическом контроле про­водилось многими специалистами. М. В. Розиной [284] изучались результаты контроля стыковых сварных соединений толщиной 6 ... 150 мм, выполненного на различных судостроительных предпри­ятиях за 30 лет работы. Автором установ­лено, что в большинстве случаев вероят­ность обнаружения дефектов обоими ме­тодами превышает 75 %. Однако в неко­торых случаях она может упасть до 18 % для радиографии при выявлении непрова­ров и трещин и до 38 % для ультразвуко­вого метода при выявлении пор и шлако­вых включений.

В [350] приведены данные, получен­ные в тресте Сургуттрубопроводстрой, по вероятности обнаружения дефектов в сварных соединениях магистральных тру­бопроводов диаметрами 800 ... 1020 мм. Например, для непроваров и трещин раз­мером 10 мм и более вероятность обнару­жения ультразвуком составляла около 90 %, радиографическим методом - около 80 %, магнитографическим методом -

около 70 %. Для пор и шлаковых включе­ний размером 1 мм и более вероятность обнаружения ультразвуком уменьшалась до 85 %. Достоверность ультразвукового метода сильно зависела от технологии контроля и точности ее соблюдения. Ста­тистические данные по сопоставлению двух рассматриваемых методов подтвер­ждают сделанные ранее предварительные количественные выводы о преимуществах и недостатках методов.

Сочетание радиографического и ультразвукового видов контроля. Для наиболее ответственных объектов преду­сматривается стопроцентный контроль обоими методами. Такой контроль преду­смотрен, например, в атомной энергетике. Для менее ответственных объектов часто предусматривают стопроцентный ультра­звуковой контроль и выборочный радио­графический контроль в объеме 5 или 10 %. Такое сочетание методов обычно предусматривают при отработке техноло­гии сварки новых изделий. Для сварки объектов теплоэнергетики, трубопроводов и в других отраслях допускается проведе­ние стопроцентного либо радиографиче­ского, либо ультразвукового контроля.

Английские, норвежские и француз­ские специалисты сообщают об установке для контроля сварных швов труб радиаци­онным и УЗ-методами (рис. 5.85) [425, с. 479/286]. Радиационный контроль вы­полняется радиоскопическим способом, излучение регистрируется мультилиней­
ным детектором, причем изображение подобно изображению на рентгенпленке. УЗ-контроль выполняется восемью преоб­разователями. За один оборот установки вокруг трубы в прямом направлении осу­ществляется радиационный контроль, а за оборот в обратном направлении - УЗ - контроль. Результаты обрабатываются совместно на компьютере и выводятся на экран (рис. 5.86), причем цветной индика­тор позволяет изобразить не вызывающий сомнений дефект красным цветом, веро­ятный дефект - оранжевым, маловероят­ный дефект - зеленым.

Возможность замены радиографи­ческого контроля ультразвуковым. Ос­новное требование к системам ультразву­кового контроля для обеспечения полно­ценной замены радиографического кон­троля сварных соединений ультразвуко­вым - создание объективного документа, позволяющего установить, проверено или нет данное сварное соединение, и регист­рирующего полученные результаты кон­троля. Оптимальное средство удовлетво­рения данного требования - компьютерная регистрация результатов контроля в соче­тании либо с системой механического сканирования, либо с автоматическим на­блюдением за перемещениями преобразо­вателя при ручном сканировании.

Не менее важное требование к систе­мам ультразвукового контроля - повыше­ние их информативности в тех областях, где радиационный контроль превосходит

ультразвуковой, а именно:

- обеспечение выявления небольших объемных дефектов типа пор и включений диаметрами не менее 1 ... 2 мм;

- повышение точности измерения размеров дефектов вдоль сварного шва (желательно также и по его высоте) с тем, чтобы погрешность не превосходила 1 ... 2 мм;

- повышение достоверности при оп­ределении характера дефектов по резуль­татам контроля, более наглядное пред­ставление результатов.

Из официальных документов, рас­сматривающих возможность замены ра­диографического контроля ультразвуко­вым, отметим разъяснения к Бойлер-коду, выпущенные в США в 1996 г. [364]. В этом документе формулируются требова­ния к ультразвуковому контролю, при вы­полнении которых он может полноценно заменить радиографию. Документ состав­лен применительно к сварным соединени­ям толщиной 102 мм и более. Эти требо­вания в ‘основном касаются наличия объ­ективной, получаемой с помощью компь­ютера дефектограммы, на которой фикси­руются факт контроля именно данного сварного соединения, выполнение задан­ного плана контроля, запись обнаружен­ных дефектов.

Однако в упомянутом документе со­вершенно отсутствуют требования к по­вышению информативности результатов ультразвукового контроля. Требуется вы­являть и регистрировать дефекты длиной 6 % и более, а для дефектов малой высоты даже 10 ... 20 % от толщины сварного со­единения. Никаких требований по повы­шению точности определения формы и размеров дефектов, повышению чувстви­тельности в документе не содержится. Таким образом, устраняется один из отме­ченных выше недостатков традиционного ультразвукового контроля, но совершенно упущены другие недостатки.

Европейский документ EN 12062 ре­комендует преимущественное применение ультразвукового контроля (в его традици-

онном исполнении) вместо радиографии для дефектоскопии сварных соединений толщиной более 40 мм.

Согласно новой редакции ГОСТ 14782, аппаратура для контроля сварных соединений с регистрацией ультразвуко­грамм, адекватных рентгенограммам, дол­жна обеспечить отображение на ультра­звукограмме:

- значений основных параметров ап­паратуры, реализованных при контроле сварного соединения (тип упругой волны, частоту ультразвуковых колебаний, угол призмы преобразователя или угол ввода луча, чувствительность оценки и поиска, способ и шаг сканирования, наличие и закон ВРЧ);

- траекторию сканирования сварного шва и околошовной зоны при наличии акустического контакта между преобразо­вателем и контролируемым соединением. Допускается при механическом сканиро­вании, осуществляемом только в условиях наличия акустического контакта, приво­дить информацию о способе и параметрах сканирования;

- образ, координаты расположения и условные размеры выявленных дефектов в плане сварного шва (развертка типа С) и (или) в продольном сечении сварного шва

(развертка типа D); дополнительно - для отдельных участков - поперечные сечения сварного шва (развертка типа В).

Аппаратура должна обеспечить луче­вую и фронтальную разрешающие спо­собности не более 5 мм, фиксацию участ­ков сканирования с отсутствием акустиче­ского контакта, самоконтроль работоспо­собности электроакустического тракта.

Оценим возможности современных ультразвуковых методов и приборов, ис­пользующих компьютерную обработку результатов, с точки зрения возможности замены ими радиографического контроля. Система ISONIC, выпускаемая израиль­ской фирмой SONOTRON (см. разд. 5.1.7.7), позволяет объективно зарегистри­ровать факт ультразвукового контроля данного сварного шва и полноту проверки всего объема сварного соединения, сле­дить за качеством акустического контакта. Точность определения местоположения преобразователя может быть доведена до 0,5 мм. Исключается возможность перено­са результатов контроля одного сварного соединения на другое. Задача решается без применения громоздких сканирующих устройств, тем самым сохраняется мо­бильность и адаптивность ультразвуково­го контроля.

Система ISONIC обеспечивает вы­полнение всех требований документа [364]. Однако контроль этой системой ведется с помощью обычного ультразву­кового дефектоскопа, по обычно приме­няемым методикам с принятой для данных сварных соединений чувствительностью и точностью измерений, по этой причине она не может удовлетворить требованиям современной редакции ГОСТ 14782: иметь лучевую и фронтальную разрешающие способности не хуже 5 мм.

Информативность ультразвукового контроля радикально повышается при ис­пользовании метода компьютерной аку­стической голографии, наиболее совер­шенная система которой (установка "АВГУР 4.2") выпускается фирмой НПЦ "ЭХО+" [68]. Она обеспечивает автомати­ческую регистрацию факта контроля именно данного сварного соединения, по­скольку эти данные необходимо вводить в компьютер перед началом контроля. Она обеспечивает получение изображения не - сплошности, близкого к реальному. Бла­годаря высоким фронтальной и лучевой разрешающим способностям, достигае­мым при акустической голографии, разме­ры дефекта измеряются с точностью 1 мм, если эти размеры больше 5 мм. Таким об­разом, по этому показателю голографиче­ский ультразвуковой контроль приближа­ется к радиографии и полностью удовле­творяет требованиям ГОСТ. Она позволя­ет следить за качеством акустического контакта по фону, возникающему за счет слабых отражений от неоднородностей структуры металла.

Данные по чувствительности и точ­ности измерения размеров дефектов уста­новкой "АВГУР 4.2" также приведены в табл. 5.11. За счет корреляционной обра­ботки эхосигналов чувствительность при проведении контроля можно поднять бо­лее чем в 10 раз, причем значительно улучшается отстройка от структурных помех. Аппаратура позволяет выполнять обзорный контроль на повышенной чувст­вительности, а отмеченные дефектные участки подвергать экспертному контро­лю с получением изображений дефектов голографическим методом.

Довольно высокая точность достига­ется при измерении размеров дефектов не только по длине, но и по толщине сварно­го шва благодаря регистрации дифракци­онных волн от кончиков трещин. Доста­точно точное определение характера и размеров дефектов при контроле с исполь­зованием акустической голографии позво­ляет специалистам в области прочности оценивать степень влияния дефекта на работоспособность сварной конструкции.

Вероятность обнаружения объемных дефектов значительно повышается, по­скольку голографический контроль ведет­ся преобразователем с широкой диаграм­мой направленности. В память компьюте­ра поступают сигналы об округлом дефек­те, озвучиваемом с разных направлений при перемещении преобразователя на большом участке поверхности ввода. Это обстоятельство позволяет превзойти ра­диационный контроль по возможности обнаружения объемных дефектов. По этой же причине хорошо регистрируются от­ражения от концов дефектов плоскостного типа: трещин, непроваров.

Данные табл. 5.11 показывают, что при толщине сварного соединения 10 мм и более акустическая голография по чувст­вительности и возможности выявления объемных дефектов не уступает радио­графии. Несколько ухудшаются возмож­ности акустической голографии при кон­троле очень тонких сварных соединений (менее 10 мм), поскольку в этом случае уменьшается зона поверхности ввода, на которой фиксируется отражение от дефекта.

Сканирование сварного соединения при использовании установки "АВГУР 4.2" осуществляется с помощью механи­ческих устройств. При этом компьютерная регистрация результатов контроля обеспе­чивает объективную и адресную привязку результатов к каждому сварному шву. Од­нако при механической системе сканиро­вания в значительной степени теряется мобильность контроля - важное достоин­ство традиционной ультразвуковой дефек­тоскопии.

Таким образом, требованиям новой редакции ГОСТ 14782 к ультразвуковой аппаратуре для контроля сварных соеди­нений с регистрацией ультразвукограмм, адекватных рентгенограммам, примени­тельно к сварным соединениям толщиной более 10 мм полностью удовлетворяет компьютерная акустическая голография, реализуемая в виде установок типа "АВГУР 4.2".