Методы и ГОСТы неразрушающего контроля сварных соединений

Электродуговая и газовая сварка металлов активно используется во множестве отраслей промышленности и народного хозяйства. Для каждого сварного шва необходима проверка качества, однако требования к этой проверке могут значительно различаться в зависимости от конкретной области применения. Например, подход к контролю качества сварных швов на трубопроводах отличается от методов проверки металлоизоляции в рентгенографическом кабинете. Особенно высокие требования к дефектоскопии сварных соединений предъявляются в таких сферах, как:

• Трубопроводные системы для водоснабжения, нефтегазовые магистрали;
• Производство опор для высоковольтных линий;
• Машиностроение, авиационная и судостроительная отрасли;
• Строительство мостов.

Существуют разные методы определения дефектов сварных швов, которые регулируются национальными стандартами, такими как ГОСТ 3242-79. Эти методы можно разделить на два типа:

1. Разрушающие методы, включающие механические испытания, которые проводятся в лабораториях на специальных разрывных установках.
2. Неразрушающие методы контроля (НК), применяемые как в лабораторных условиях, так и прямо на местах эксплуатации. Эти методы часто выбираются благодаря своей эффективности с точки зрения затрат и удобства использования.

В этой статье мы подробно рассмотрим особенности неразрушающего контроля сварных соединений, познакомим вас с различными его классификациями и дадим рекомендации по выбору наиболее подходящих методов для промышленных объектов.

Неразрушающий контроль сварных соединений является неотъемлемой частью процесса оценки качества металла. Без этой процедуры невозможно гарантировать надежность сварных соединений, ведь они выполняют критически важную роль как несущие элементы. Это, в свою очередь, подчеркивает значимость прочностных характеристик сварных швов. Неразрушающий контроль позволяет получить точную информацию о состоянии соединений, а также подтвердить их соответствие проектным требованиям и актуальным стандартам. Проводя такую проверку, можно выяснить особенности материала, его структуру и физико-химические свойства.

Этот процесс помогает выявить как явные, так и скрытые дефекты в швах, которые могут существенно ослабить конструкцию и сократить срок службы металлоконструкций. Главное преимущество неразрушающего контроля заключается в том, что целостность анализируемых элементов не нарушается. Такой контроль является стандартом в различных отраслях, включая машиностроение, строительную индустрию, а также при проверке магистральных газопроводов и трубопроводных систем отопления.

Главная особенность неразрушающего контроля сварных соединений заключается в том, что целостность проверяемых объектов сохраняется, в отличие от разрушающих методов, после которых материалы становятся непригодными для дальнейшего использования. В случае неразрушающего контроля проверка проводится без изменений внутренней структуры металла и без ухудшения его свойств.

Принцип работы таких методов заключается в регистрации изменений физических полей, возникающих в результате взаимодействия с объектом. При наличии дефектов фиксируются искажения этих параметров.

Поскольку нет универсального метода, способного обнаружить все типы дефектов, используются различные подходы в совокупности. Дефекты могут быть как внешними, так и внутренними. К внешним относятся такие нарушения, как трещины, сколы, надрезы, прожоги, а также непровары, свищи, кратеры и посторонние включения, которые можно заметить при визуальном осмотре. Внутренние дефекты требуют использования специализированного оборудования для их выявления.

Наличие скрытых дефектов в металлоконструкциях может привести к серьезным авариям. Например, неразрушающий контроль сварных швов трубопроводов помогает обнаружить микротрещины, которые не видны невооруженным глазом, но могут привести к поломке оборудования. Особенно опасны такие дефекты, когда речь идет о трубах, через которые проходят химически активные вещества — их разрыв может стать причиной катастрофы и даже человеческих жертв.

Основной принцип методов неразрушающего контроля (НК) сварных соединений заключается в проверке соответствия параметров сварных швов установленным техническим требованиям, нормам и нормативным документам. Цель такого контроля — выявить дефекты, которые могут возникнуть на различных этапах: в процессе производства, монтажа, а также эксплуатации оборудования. Контроль осуществляется без нарушения целостности объекта, что позволяет сохранить его эксплуатационные характеристики.

Неразрушающий контроль применяется для определения состояния сварных соединений, обнаружения как внешних, так и внутренних дефектов, и для оценки их влияния на надежность и безопасность конструкции. Это дает возможность точно определить, соответствуют ли параметры соединений установленным стандартам.

Сварные соединения могут иметь различные дефекты, включая:

• Неправильную форму шва.
• Наружные и внутренние повреждения.

Методы контроля выбираются в зависимости от задачи и типа дефектов, которые нужно обнаружить. Для более точной диагностики часто используется комбинация нескольких методов НК, что позволяет повысить эффективность контроля и снизить вероятность ошибок.

Основные методы, применяемые для контроля качества сварных соединений, включают:

• Визуальный и измерительный контроль (ВИК).
• Акустический контроль (ультразвуковой) (УЗК).
• Магнитопорошковый контроль (МПД).
• Контроль проникающими веществами (капиллярный контроль) (ПВК).
• Металлографическое исследование (металлография).
• Радиоактивный контроль (радиационный).

Использование различных методов в комплексе позволяет более точно выявлять дефекты и гарантировать высокое качество сварных соединений.

Классификация дефектов, возникающих при сварке металлов, регламентируется ГОСТ Р ИСО 6520-1-2012, который устанавливает стандарты для маркировки дефектов и их терминов на русском и английском языках. Этот документ служит основой для составления отчетов и стандартных наименований, используемых в России инженерами, дефектоскопистами и сварщиками. В ГОСТе дефекты сварных соединений сгруппированы в шесть основных категорий, исходя из общих характеристик и типов повреждений.

Трещины и микротрещины — в данной группе выделяются следующие типы трещин:

• Продольные;
• Поперечные;
• Радиальные;
• Кратерные;
• Разветвленные;
• Разрозненные.

Полости, поры и усадки — сюда включены внутренние, внешние и сквозные пористости сварного металла. Также рассматриваются дефекты, такие как свищи и раковины, образующиеся в процессе эксплуатации.
Твердые включения — данные дефекты разделяются на несколько типов:

• Шлаковые включения;
• Флюсовые включения;
• Оксидные включения;
• Инородные металлические вкрапления;
• Оксидные пленки, особенно важные для сварки алюминиевых сплавов.

Несплавления и непровары — дефекты, возникающие из-за недостаточного прогрева или плохого соединения материалов в месте сварки.
Отклонения формы и размера — этот раздел охватывает дефекты, связанные с изменениями формы или размеров сварного шва, такие как подрезы, проплавы, а также классификацию протеков, прожогов и смещений.
Прочие дефекты сварных соединений — сюда включаются все остальные виды дефектов, которые не могут быть классифицированы по вышеупомянутым категориям, но все равно оказывают влияние на качество сварного соединения.

Эта классификация помогает точно идентифицировать и классифицировать дефекты сварных швов, обеспечивая эффективную диагностику и ремонт при необходимости.

Предварительный контроль сварных соединений включает несколько ключевых этапов:

• Проверка параметров сварного шва — это оценка длины и катета шва на соответствие установленным нормативам, с целью исключения возможных ошибок в проектировании.
• Оценка свариваемых материалов и заготовок — на этом этапе определяется или рассчитывается оптимальные параметры сварки, необходимые для успешного выполнения соединения.
• Контроль квалификации специалистов — проверяется квалификация сварщиков, инженеров и контролеров ОТК, которые ответственны за качество сварных швов.
• Проверка состояния сварочного оборудования — оценивается исправность и соответствие используемых сварочных аппаратов, а также комплектующих материалов, применяемых в процессе сварки.

Что касается операционного контроля, то он осуществляется непосредственно мастерами и специалистами на производственном процессе, а также выборочно — внешними независимыми экспертами. Особенно часто в сфере строительных и монтажных работ используется приемочный контроль, который проводят с помощью методов неразрушающего контроля. Для этого часто привлекаются внешние специалисты и инженеры, такие как специалисты компании ТЭС, которые обеспечивают независимую и объективную оценку качества сварных соединений.

Выбор метода анализа сварных соединений определяется рядом факторов, которые напрямую влияют на эффективность и точность контроля:

• Объем производства. При мелкосерийном производстве, где скорость проверки не имеет первостепенного значения, можно инвестировать в более дорогостоящее оборудование для тщательной проверки. В массовом производстве оптимален выборочный контроль, однако стоит учитывать, что этот метод не всегда дает полную картину качества.
• Точность измерений. Если сварка не требует высокой герметичности, а металлоконструкции не подвергаются чрезмерным нагрузкам, для проверки достаточно базовой информации. В случае, когда герметичность шва критична, следует выбирать методы, которые позволяют выявить даже незначительные отклонения.
• Материалы. Разные сплавы имеют различные характеристики, что делает подходы к дефектоскопии для разных материалов, таких как сталь и алюминий, совершенно различными. Технология, эффективная для стальных конструкций, может быть неактуальной для алюминиевых деталей и наоборот.
• Направление производства. В случае контроля сварных швов в электронных компонентах следует учитывать ограничения, связанные с температурными режимами, так как использование некоторых методов может быть недопустимым из-за запрета на нагрев. Оборудование, подходящее для лабораторных исследований, не всегда применимо при проверке конструкций, таких как газопроводы.

При выборе метода также учитывают физические свойства материала, тип и толщину шва, а также состояние поверхности соединения. Например, при использовании радиационного контроля необходимо учитывать силу ионизирующего излучения, которое проходит через шов. Интерпретация результатов требует высококвалифицированного персонала.

Поскольку нет универсального метода, который гарантированно выявляет все дефекты, ключевым моментом является определение недопустимых изъянов, которые могут повлиять на безопасность конструкции. Обычно для достижения более точных результатов используется комбинация различных методов контроля.

Визуальный и измерительный контроль качества сварных соединений проводится для выявления дефектов внешней формы шва и других видимых недостатков.

Этот метод применяется в следующих случаях:

• Во время сварки и после завершения сварных работ для подтверждения соответствия выполненных соединений проектной документации, техническим условиям и стандартам.
• Для анализа сварных соединений с целью выявления деформаций, трещин, подрезов, прожогов, наплывов, кратеров, свищей, пор, раковин и других дефектов, а также для проверки геометрии сварных швов и допустимых отклонений.
• Для проверки исправления дефектных участков и заварки дефектных участков, с целью подтверждения удаления дефекта и качества выполненной заварки.
• В процессе эксплуатации конструкций для выявления изменений в форме шва, а также повреждений, возникших в результате эксплуатации (трещины, коррозия, эрозия и деформации).

Для выполнения визуального и измерительного контроля используются различные инструменты, включая:

• Лупы и измерительные лупы
• Линейки, угольники, штангенциркули, штангенглубиномеры
• Щупы, угломеры, стенкомеры
• Микрометры, нутромеры
• Шаблоны и поверочные плиты
• Плоскопараллельные концевые меры длины и другие измерительные инструменты.

Процесс контроля включает следующие шаги:

1. Подготовка поверхности – очистка от загрязнений, окалины.
2. Визуальный осмотр поверхности.
3. Измерение обнаруженных дефектов с помощью соответствующих приборов.
4. Интерпретация результатов контроля.

Магнитопорошковый контроль позволяет выявлять дефекты как на поверхности, так и под ней. Этот метод эффективен для обнаружения трещин, непроваров, шлаковых включений, а также других дефектов.

Принцип действия метода основан на использовании магнитных частиц, которые привлекаются неоднородными магнитными полями, образующимися в местах дефектов на намагниченных объектах. Эти частицы формируют индикаторные рисунки, которые отображают контуры дефектов.

Процесс магнитопорошкового контроля включает несколько этапов:

1. Подготовка поверхности – очистка от загрязнений и окалины.
2. Намагничивание объекта.
3. Нанесение магнитного порошка или суспензии на поверхность.
4. Осмотр поверхности для выявления дефектов.
5. Оценка индикаторных рисунков, которые могут быть видны невооруженным глазом или с помощью оптических приборов.
6. Интерпретация результатов контроля.

Магнитопорошковый метод может быть использован только на материалах с магнитными свойствами. Он также эффективен при контроле объектов с немагнитными покрытиями толщиной до 40-50 мкм, например, с краской, лаком или хромированием. Метод является быстрым и не требует разрушения изделия, а также позволяет проводить контроль непосредственно на месте.

Однако этот метод имеет ограничения, так как не позволяет точно определить параметры дефектов, такие как их размер, глубина и ширина. Для более точной оценки обычно комбинируют МПД с визуальным и измерительным контролем.

Ультразвуковая дефектоскопия (УЗД), также известная как ультразвуковой контроль (УЗК), представляет собой комплекс методов неразрушающего контроля, использующих эхо-акустические принципы для проверки сварных соединений и материалов различного типа с помощью ультразвуковых волн. В процессе такого контроля применяются специализированные ультразвуковые преобразователи в сочетании с дефектоскопами, которые позволяют выявлять дефекты в материалах, фиксируя отклонения в длине волн отраженного сигнала. Это отклонение происходит из-за различий в плотности или наличии пустот в исследуемых объектах.

Ультразвуковая дефектоскопия дает результаты, аналогичные рентгеновской диагностики, основанной на гамма-излучении, но обладает несколькими важными преимуществами: она более безопасна, не оказывает вредного воздействия на окружающих, а также проще в применении. Эти особенности сделали УЗД одним из самых популярных и широко используемых методов контроля в различных отраслях.

Этот метод основан на способности жидкостей проникать через микротрещины в твердые материалы. Для проведения капиллярного контроля используются специальные жидкости, называемые пенетрантами, которые могут проникать в самые мелкие трещины. Ранее применялись простые жидкости, такие как керосин, для выявления утечек и дефектов. Современные технологии предлагают пенетранты с люминофорным эффектом, что значительно облегчает процесс обнаружения дефектов и сокращает время проверки герметичности. Этот метод позволяет не только ускорить процесс, но и легко зафиксировать результаты, предоставляя точные данные для составления отчета и рекомендаций по устранению дефектов.

Вихретоковый контроль представляет собой метод, предназначенный для выявления как поверхностных, так и подповерхностных дефектов сварных соединений, таких как трещины, непровары и другие нарушения целостности материала.

Принцип работы метода заключается в взаимодействии внешнего электромагнитного поля с полем вихревых токов, индуцированных этим полем в проверяемом объекте. Когда в материале присутствуют дефекты, вихревые токи ослабляются, что регистрируется с помощью специальных приборов, используемых в вихретоковом контроле.

Методика проведения контроля:

1. На поверхность объекта устанавливается преобразователь, который генерирует вихревые токи.
2. Проводится сканирование поверхности с параллельным фиксированием изменений, которые происходят в вихревых токах.
3. Оценивается площадь дефекта, его конфигурация и размеры.
4. Интерпретация полученных данных для точной расшифровки результатов контроля.

Особенности метода: Вихретоковый контроль может осуществляться бесконтактно, но важно, чтобы зазор между датчиком и поверхностью объекта не превышал 2 мм, так как это может привести к снижению чувствительности метода. Глубина контроля варьируется от 0,5 мм до 5000 мм, что позволяет использовать метод для различных типов материалов и изделий. Вихретоковый контроль не нарушает эксплуатационные характеристики объекта и позволяет получить результаты оперативно, что делает его эффективным для использования непосредственно на месте.

Радиографический контроль, или просвечивание рентгеновскими лучами, является высокоточным методом неразрушающего контроля, который применяется для исследования внутренней структуры сварных швов. Этот метод позволяет выявить скрытые дефекты, такие как пустоты, непровары и инородные включения, с помощью рентгеновского или гамма-излучения. Он используется, когда необходимо строго соблюдать требования к качеству, и даже минимальные дефекты могут привести к отказу от изделия.

Основной принцип работы основан на способности рентгеновских и гамма-лучей проникать через материал и ослабляться при взаимодействии с различными структурами, что позволяет получить изображение внутренних дефектов. Радиографический контроль часто применяется в тех областях, где допуски на брак крайне ограничены. Однако, несмотря на его точность, метод требует соблюдения строгих мер безопасности из-за воздействия радиационного излучения.

Тепловой контроль используется для оценки теплового состояния объектов, выявления отклонений от нормальных температурных режимов, а также обнаружения дефектов, таких как трещины, пористость, расслоения и инородные включения. Метод также позволяет оценить изменения в физико-химических свойствах материалов, такие как теплопроводность и теплоемкость.

Принцип работы заключается в том, что термометрические элементы (термопары, термоиндикаторы и другие устройства) фиксируют изменения температуры поверхности объекта, что может свидетельствовать о наличии дефектов. Результаты измерений передаются на регистрирующие устройства, такие как тепловизоры, для анализа аномальных температурных зон.

Существует два метода теплового контроля:

• Пассивный метод: Контролируемая поверхность не подвергается внешнему источнику энергии, и исследуется только температурный режим объекта в естественных условиях.
• Активный метод: Поверхность подвергается воздействию внешнего источника энергии (например, подогрева), что позволяет выявить более глубокие дефекты.

Метод активно используется для контроля состояния зданий, трубопроводов, дымовых и вентиляционных труб, а также для мониторинга объектов в эксплуатации, где важно поддержание целостности конструкции.

Металлографические исследования проводят для выявления внутренних дефектов, таких как трещины, непровары и поры, а также для определения структуры сварных соединений. Это важно для анализа качества сварки, а также для понимания причин разрушений металлических конструкций и элементов.

Исследования делятся на два типа:

• Макроструктурный анализ: Позволяет изучить общие характеристики шва, включая его форму, размер и наличие дефектов.
• Микроструктурный анализ: Оценивает более детализированную структуру металла, выявляя микротрещины, поры и окисные пленки.

Металлография бывает разрушительной и неразрушительной. Разрушительный метод включает вырезку образца для дальнейшего исследования в лаборатории, что нарушает целостность объекта. В неразрушающей металлографии используются методы реплик, когда с поверхности материала снимается "слепок" для дальнейшего анализа.

Методология металлографического контроля основывается на использовании микроскопов с увеличением от 20 до 2000 раз. Применяется для анализа качества сварных соединений и в случае, когда важно установить причины разрушения различных элементов конструкций.

Методы неразрушающего контроля сварных соединений не ограничиваются вышеупомянутыми вариантами. В промышленности часто применяются более комплексные подходы, для реализации которых создаются специализированные лаборатории и закупается высокотехнологичное диагностическое оборудование. Такие методики востребованы, в первую очередь, на крупных производственных объектах и в автономных производственных зонах, где требуется особая точность и тщательность контроля.