Опыт работ по внедрению установок для автоматического контроля сварных соединений показал, что создание таких установок рационально в следующих слу­чаях: когда сварные соединения выполня­ются высокопроизводительной автомати­ческой сваркой; когда автоматизация по­зволяет свести к минимуму опасность вредных условий контроля (например, наличия радиоактивного излучения); ко­гда автоматизация необходима для реали­зации применяемого метода контроля (на­пример, ультразвуковой микроскопии или контроля с когерентной обработкой). Ни­же приведены примеры автоматических установок, предназначенных для решения трех отмеченных выше задач.

Автоматический контроль про­дольных и спиральных сварных швов труб. Во ВНИИНК (г. Кишинев) разрабо­тано несколько типов установок для кон­троля продольных и спиральных сварных швов труб диаметром 76 ... 102 мм, тол­щиной стенки 2 ... 5 мм. Здесь рассмотре­на одна из них типа УТС-СТ-1, предна­значенная для контроля продольного шва, выполненного контактной сваркой. В ос­нову работы положена схема с примене­нием четырех преобразователей (см. рис. 5.77), реализующая контроль эхо-, теневым и эхотеневым методами, благо­даря чему обеспечивается выявление де­фектов различной ориентации и полный самоконтроль. Акустический контакт ме­жду преобразователями и поверхностью трубы обеспечивается щелевым способом. Контактная жидкость (вода) подается из бака-отстойника. Поверхность трубы очи­щается специальным устройством.

Число тактов уменьшено по сравне­нию с оЬисанным ранее. Преобразователи 1 и 3 поочередно работают в режиме из­лучения ультразвуковых колебаний, а 2 и 4 - постоянно в режиме приема сигналов, отраженных от дефектов сварного шва, и теневых сигналов. Генерируются импуль­сы длительностью 8 ... 10 мкс частотой

2,5 МГц. При отсутствии дефектов в свар­ном шве сквозные сигналы принимаются преобразователями 2 и 4. В случае нали­чия в сварном шве продольных дефектов сигнал отразится под углом, равным углу падения, и будет принят соответственно приемным преобразователем 2 или 4.

При поперечных дефектах ультразву­ковые колебания рассеиваются ими, в ре­зультате чего на преемниках сигналы от­сутствуют. К этому же приводит выход из строя любого из элементов акустического и приемно-передающего трактов.

Симметричное положение преобра­зователей относительно сварного шва поддерживается системой автоматическо­го слежения за швом. Слежение осущест­вляется по "шумам", представляющим собой отраженные сигналы от грата и не­однородных структурных зон. Блок сис­темы автоматики выдает сигнал на поста­новку механической метки резцом или на краскоотметчиком, а также управляет устройством сортировки.

Установка "АИСТ-1" [33] предназна­чена для автоматического контроля техно­логического режима электрической сварки труб токами повышенной частоты в пото­ке стана 19 ... 102. Поверхность трубы очищается специальным устройством, акустический контакт между преобразова­телями и поверхностью трубы осуществ­ляется, как и при контроле охлажденного шва, струей воды, несмотря на то, что температура сварного шва в зоне контроля составляет 900 ... 1000 °С. Это объясняет­ся высокой локальностью зоны нагрева при сварке. Чтобы исключить неблагопри­ятное воздействие на преобразователи высокой температуры, они выполнены так, что постоянно охлаждаются проточ­ной водой, применяемой в качестве кон­тактной среды.

Используемые преобразователи ще­левого типа позволяют изменять в преде­лах 1 ... 3° угол ввода ультразвуковых колебаний. Шарнирная подвеска установ­ки обеспечивает постоянство положения преобразователей относительно сварного шва. Подъем и опускание преобразовате­лей осуществляется элементами механиз­ма слежения. Результаты контроля фикси­руются на диаграммной ленте самописца блока статистической оценки качества сварного шва.

Развитием этих работ является созда­ние в НИИИК АО "Интроскоп" (Кишинев, приемник ВНИИНК) трех многоканаль­ных установок для контроля прямошов­ных труб в процессе производства [428, докл. 4.2.36]. Осуществляется контроль краевых полос концов трубы на наличие дефектов типа расслоений в околошовной зоне, на выявление дефектов в сварном шве и околошовной зоне, на наличие де­фектов типа расслоений в основном ме­талле трубы. Все установки работают с использованием многоканального дефек­тоскопа "Интроскоп-01" и индустриально­го компьютера. Схема потактового кон­троля предполагает использование двух наклонных преобразователей для контро­ля дефектов шва и двух РС-преобразо - вателей для контроля околошовной зоны.

Установки дают возможность реали­зации различных методов контроля и схем прозвучивания, обеспечивают слежение за сварным швом и автоматическую стаби­лизацию положения преобразователей относительно сварного шва, имеют авто­матический контроль качества акустиче­ского контакта и диагностику работоспо­собности, паспортизацию результатов контроля в виде распечаток на бумажном носителе.

Фирма "Сименс" разработала и пус­тила в эксплуатацию весьма совершенную установку для контроля в процессе изго­товления труб диаметром ПО... 400 мм, сваренных высокочастотной сваркой [422, с. 2162]. При этом виде сварки могут воз-

никать дефекты типа слипания, практиче­ски невыявляемые неразрушающими ме­тодами, что учтено разработчиками. Кон­троль начинается с проверки полосы тол­щиной 2,6 ... 16 мм, шириной 350 ... 1250 мм. Контроль ведется эхометодом в иммерсионном варианте системой из шес­ти преобразователей на частоту 10 МГц со скоростью 45 м/мин. Преобразователи ос­циллируют поперек движущейся полосы, но контроль выполняется не в полном объеме. Краевые зоны шириной 25 мм контролируются полностью.

Далее из полосы формируется труба и выполняется высокочастотная сварка. После водяного охлаждения шов контро­лируется контактным способом двумя па­рами наклонных преобразователей с двух сторон от шва. Предусмотрена проверка качества акустического контакта и фор­мирования наружных валиков шва. Для последней цели применяется прямой ка­чающийся преобразователь на частоту 25 МГц, который контролирует толщину и форму шва. Контакт - через струю воды.

Далее труба разрезается на отрезки длиной 6 . . 18 м. Сегменты проходят оп­рессовку водой. Далее четырьмя преобра­зователями на частоту 10 МГц при враще­нии трубы торцы сегментов контролиру­ются на расслоения, выходящие на линию разрезки. Это необходимо, поскольку по­лоса не проходила стопроцентного кон­троля. После этого осуществляется окон­чательный контроль сварного шва че­тырьмя парами наклонных преобразовате­лей (45°). Три пары осуществляют кон­троль на продольные дефекты в верхней, средней и нижней частях шва, а четвертая пара осуществляет контроль на попереч­ные дефекты. Предполагается, что в ре­зультате гидроопрессовки плохо выявляе­мые дефекты раскроются и будут лучше обнаруживаться. В заключение трубы на­правляются в карман "годен" или "брак".

Автоматизация контроля сварных швов магистральных трубопроводов. В Голландии и Франции разработаны уста­новки типа "Ротоскан" и "Орбискан" для автоматического контроля сварных швов магистральных трубопроводов [422, с. 1768 и 1775]. Сварной шов разбивают на зоны, которые контролируют прямым или однократно отраженным лучом с опреде­ленным углом ввода (рис. 5.78 и 5.79). В первой установке контроль выполняют также дифракционно-временным методом, который на схеме не показан. О второй установке сказано, что в ней также ведется контроль эхозеркальным методом. Она обеспечивает скорость контроля 50 мм/с. В результате сварной шов трубы диамет-

ром 800 мм контролируется меньше чем за 1 мин.

В Голландии разработана система контроля трубопроводов и трубных стоя­ков нефтедобывающих платформ, а также их продольных сварных соединений во время эксплуатации [422, с. 1822]. Стояки служат для соединения емкостей на плат­форме с трубопроводом. Диаметр контро­лируемых труб 150 ... 300 мм. В напол­ненный водой контролируемый стояк опускают ультразвуковой блок с элек­тронным устройством и устройством для измерения расстояния.

Блок соединен с надводным регист­рирующим устройством длинным кабе­лем. Контроль выполняют иммерсионным способом с помощью 32 прямых и на­клонных вращающихся преобразователей. Первые контролируют толщину стенки трубы (коррозию), вторые - дефекты свар­ных швов, выявляемые дифракционно­временным методом. Регистрирующая аппаратура обрабатывает информацию и представляет изображения и координаты выявленных дефектов.

Системы контроля корпусов атом­ных реакторов. Для обеспечения экс­плуатационной надежности атомных элек­тростанций (АЭС) международное агент­ство по атомной энергии (МАГАТЭ) ре­комендует в национальных нормах по безопасности атомных реакторов преду­сматривать периодический контроль со­стояния металла и сварных швов основно­го оборудования. Ввиду значительной ра­диационной опасности контроль должен выполняться автоматически. В России разработку оборудования для такого кон­троля выполняет НИКИМТ. Здесь рас­смотрено оборудование типа СК-187 для контроля корпуса самого реактора.

Имеется два основных направления в разработке систем контроля корпусов во­до-водяных энергетических реакторов (ВВЭР): изнутри или снаружи корпуса. В данном случае разработчиками выбрана схема контроля снаружи.

Корпус реактора типа ВВЭР-1000 представляет собою сосуд высотой около Юме полусферическим днищем

(рис. 5.80). Цилиндрическая часть корпуса выполнена из цельнокованых обечаек диаметрами около 4 м, соединенных авто­матической дуговой или электрошлаковой сваркой. Днище выполнено из двух сек­ций, сваренных электрошлаковой сваркой. Две обечайки в средней части корпуса имеют приварные патрубки Ду-850 и пат­рубки системы автоматического управле­ния и защиты (САОЗ). Толщина обечаек в цилиндрической части около 200 мм, тол­щина патрубковых обечаек - 300 мм. Ма­териал корпуса - котельная сталь с анти­коррозионной наплавкой толщиной 8 мм. Неровности поверхности сварных швов сняты и вся поверхность обработана с Ra = 2,5 мкм.

Корпус установлен в бетонной шахте на опорной плите. Для обеспечения воз­можности контроля между стенками кор­пуса и шахты предусмотрен зазор 320 мм и оставлено свободное пространство в зоне патрубков. Далее рассмотрены сис­тема УЗ-контроля наружной поверхности цилиндрической части корпуса и система контроля зоны патрубков.

Наружная поверхность цилиндриче­ской части корпуса недоступна для об­служивающего персонала. Контроль этой зоны осуществляется путем осмотра с по­мощью системы УЗ-контроля, а также те­левизионной системой. Контролю подле­жат кольцевые сварные швы с околошов - ной зоной 200 мм по обе стороны от гра­ницы сплавления и основной металл кор­пуса в активной зоне. Задача УЗ - контроля - обнаружение трещин, расслое­ний и отрыва аустенитной наплавки.

Доставка системы преобразователей к зоне контроля осуществляется с помо­щью телескопического подъемника 2. Пе­ремещение преобразователей вдоль ок­ружности производится вращением подъ­емника по жестко укрепленной платформе

1. Контроль выполняют в поисковом ре­жиме, совершая оборот вокруг корпуса со скоростью перемещения 1,7 м/мин, после­дующим смещением с шагом 20 мм и вращением в обратном направлении. Ре­версивная схема обеспечивает постоянный контакта прибора с преобразователями и позволяет исключить подвижный токо­съемник.

При обнаружении дефекта система автоматически переключается из поиско­вого режима в исследовательский. Де­фектная зона сканируется поперечным (т. е. вдоль образующей) перемещением преобразователей на расстояние 60 мм с шагом 6 мм. Все результаты контроля фиксируются.

Система преобразователей состоит из двух одинаковых подсистем, размещен­ных по вертикали и по горизонтали. В них входят размещенные в одном корпусе со­вмещенные преобразователи поперечных волн с углами ввода 40, 50 и 60° и прямые преобразователи, а также преобразовате­ли, включенные по схеме тандем. Для со­кращения расстояния между преобразова­телями применена схема тандем с транс­формацией волн. Два преобразователя поперечных волн с углами ввода 60° и четыре преобразователя продольных волн с углами ввода 23° (рис. 5.81) позволили обеспечить контроль металла на всю тол­щину, как показано на рис. 2.77.

Применяется шестнадцатиканальный дефектоскоп. Рабочая частота - 1,2 МГц. Способ контакта - щелевой, контактная жидкость - отстоявшаяся вода с ингиби­тором коррозии. Качество акустического контакта контролируется прямыми преоб­разователями. Фиксируются дефекты эк­вивалентной площадью 10 мм2.

Ультразвуковой контроль сварных швов обечаек в зоне патрубков проводят с помощью трактора, который перемещает­ся вдоль швов по направляющим, а систе­ма преобразователей может также пере­мещаться в перпендикулярном направле­нии. Сами патрубки и сварные швы их приварки контролируют продольно­поперечным сканированием. Применяют те же системы преобразователей и аппара­тура. Уровень фиксации - 2,4 мм2. Трак­тор вручную доставляют и устанавливают в зоне контроля.

Управление системами контроля осуществляется в трех режимах: старт - стоповом, полуавтоматическом и автома­тическом. Результаты контроля фиксиру­ются на ленте регистратора с указанием предполагаемой формы дефектов, глуби­ны их залегания и координат местополо­жения на объекте.

Системы автоматического контроля объектов атомной энергетики разработаны во многих странах. Например, в Японии разработана установка для контроля свар­ных швов корпуса атомного реактора из аустенитной стали [422, с. 1407]. Манипу­лятор перемещается снаружи корпуса в промежутке шириной 20 ... 50 мм между корпусом и термическим экраном. Кон­троль выполняется четырьмя преобразова­телями головных волн и четырьмя на­клонными преобразователями продольных волн, расположенными, как показано на рис. 5.82. Обеспечивается контроль на продольные и поперечные трещины. Ме­стоположение сварного шва определяется вихретоковым методом. Этим методом обнаруживаются также поверхностные трещины.

Система контроля с применением акустической голографии.

Компьютерные системы визуализа­ции дефектов с когерентной обработкой данных серии "Авгур" рассмотрены в разд. 2.2.5.6. Они разработаны и выпуска­ются НПЦ "ЭХО+". Как говорилось выше, когерентная обработка позволяет получать изображения дефектов с высоким разре­шением. При этом появляется возмож­ность определять размеры и ориентацию дефекта не по максимальной амплитуде эхосигнала или условным размерам, как в обычных эходефектоскопах, а по его вы­сококачественному изображению. Фрон­тальная разрешающая способность таких систем равна длине УЗ-волны и для про­дольной волны в стали на частоте 2,5 МГц составляет величину около 2,5 мм. Точ­ность измерения размеров дефектов не хуже половины длины УЗ-волны.

Системы серии "Авгур "предусмат­ривают прозвучивание ОК прямыми или наклонными УЗ-преобразователями с ша­гом 0,1 ... 0,2 мм. Для каждого шага запо­минаются результаты в виде разверток типа А (Э-скана) с учетом временных за­держек и истинной формы эхосигналов. Голографическое изображение дефектов получают, совместно обрабатывая массив А - сканов в области сканирования L = 50 ... 200 мм. Регистрация проводится вдоль линии (линейная голография) и изображе­ние восстанавливается в одной плоскости (слое). При двумерном сканировании дан­ные обрабатываются когерентно только послойно.

Для реализации алгоритма акустиче­ской голографии применительно к кон­тролю сварных соединений необходимо обеспечить высокоточное автоматическое, управляемое компьютером перемещение преобразователя относительно сварного шва. Системе обработки должно быть точно известно местоположение преобра­зователя в момент передачи данных. В установках серии "Авгур" это достигается применением практически безлюфтовых сканирующих механизмов. Для движения вдоль шва применяется зубчато-ременная передача. Для движения в поперечном направлении применяется шариковинто­вая передача. Такая система обеспечивает
требуемую для акустической голографии точность позиционирования преобразова­телей. Нарушение необходимой точности приводит к нечеткости голографического изображения.

Для контроля сварных швов труб диаметром 100 ... 350 мм используются сканеры серии СТЦ, а для труб большего диаметра - сканеры серии ТТЛ. Сканеры серии СТЦ крепятся на трубе с помощью натянутой цепи. Сканеры ТТЛ перемеща­ются по трекам. Это две жестко связанных трубчатых направляющих. Механизм кре­пится на трубе или другом объекте кон­троля (ОК) с помощью эластичной стяжки или магнитов. Вдоль цепей или треков расположен зубчатый ремень, облегаю­щий ОК, но не поддающийся растяжению.

Система преобразователей состоит из четырех отдельных излучателей-прием­ников, расположенных в общей каретке. Преобразователи размещают по обоим сторонам шва. С каждой стороны шва имеются два преобразователя с различны­ми углами ввода (обычно 45 и 65°). Обой­мы для преобразователей свободно вра­щаются в двух плоскостях и прижимаются к ОК под действием пружин.

Каждый преобразователь, подклю­ченный к системе контроля, проходит предварительную аттестацию на образце типа СО-2. Специальная автоматическая установка обеспечивает перемещение преобразователя вдоль образца. В памяти ЭВМ фиксируются происходящее измене­ние амплитуды (это характеризует акусти­ческое поле преобразователя), форма и частотный спектр УЗ-импульсов, чувстви­тельность. Эти данные составляют инди­видуальный паспорт преобразователя. Они вводятся в память компьютера уста­новки "Авгур" и используются при обра­ботке результатов контроля сварного шва данным преобразователем. Компьютер корректирует данные, поступающие для голографической обработки, с учетом ин­дивидуальных особенностей преобразова­теля, в результате после обработки эти данные для любого преобразователя ста­новятся одинаковыми.

К прибору подаются для обработки данные от всех работающих преобразова­телей. После обработки они представля­ются в виде отдельной голограммы для каждого преобразователя. Г олограммы для пары одинаковых преобразователей, размещенных с разных сторон шва, могут быть совмещены. Примеры представления результатов контроля приведены в разд. 2.2.5.6.

Контроль нагретых сварных со­единений. Основные вопросы контроля изделий при повышенных температурах рассмотрены в разд. 3.1.8. В дополнение отметим, что Ростовским госуниверсите - том для этих целей разработана автомати­ческая установка. Трудности возникают при вводе ультразвука в металл при тем­пературе 600°. Они решаются применени­ем водоохлаждаемого звукопровода, бла­годаря которому в зоне крепления преоб­разователя создаются нормальные усло­вия. Контакт звукопровода с металлом осуществляют через расплавленную соль металла.

В [425, с. 511/646] сообщается о сис­теме TRACIT для контроля при темпера­туре 170 °С автоматически выполненных сварных соединений. Преобразователи рассчитаны на работу при температуре 240 °С. В качестве сканера используют тот же трек (сканер), по которому перемеща­ется сварочная головка. Для создания аку­стического контакта используют водяной гель или силиконовое масло, которое до­пускает повторное применение.