Многообразие физических методов нераз-рушающего контроля качества сварных соединений, широкий ассортимент сварных изделий и специфичность требований технических условий на них, объем производства и квалификация персонала предопределяют необходимость в широком выборе средств контроля с целью получения наибольшей технико-экономической эффективности от их применения.
В соответствии с классификацией методов неразрушающего контроля (НК) можно выделить оборудование для радиационного, ультразвукового, магнитного, вихретокового, капиллярного контроля, контроля герметичности. Широко применяются ультразвуковые, магнитные, вихретоковые и радиоволновые толщиномеры.
Радиационный контроль. При радиационном контроле сварных соединений в качестве источников проникающего излучения используют рентгеновские аппараты, гамма-дефекто-скопь!, ускорители заряженных частиц и другие устройства. Стационарные, передвижные и переносные рентгеновские аппараты подразделяются на кабельные и моноблочные. В кабельных аппаратах генератор высокого напряжения и рентгеновская трубка выполнены как отдельные блоки, соединенные между собой высоковольтным кабелем, а в моноблочных они находятся в одном корпусе
В зависимости от анодного напряжения рентгеновские аппараты могут быть непрерывного действия и импульсные. В импульсных аппаратах под воздействием импульса высокого напряжения образуется мощный импульс излучения. Эти аппараты, благодаря малым размерам, обладают повышенной технологической маневренностью, что позволяет использовать их в условиях монтажа.
Техническая характеристика рентгеновских аппаратов непрерывного действия приведена в табл. , а импульсных — в табл. также приведены сведения о специализированных аппаратах “Рейс-100И” и “Сире на-3″. Аппарат “Сирена-З” способен перемещаться со скоростью 20 м/мин внутри трубы на расстояние до 36 м. На рис. 3.1 показан рентгеновский аппарат РАП.
Для дефектоскопии сварных соединений в условиях монтажа чаще всего используются гамма-дефектоскопы, состоящие из следующих основных блоков: радиационной головки с источником излучения, коллими-рующей насадки, ампулопровода, механизма управления (ручного или электромеханического). Дефектоскопы с электромеханическим приводом имеют дистанционный пульт управления. В зависимости от вида и назначения дефектоскопы комплектуются также штативами, транспортными или самоходными те- лежками. Техническая характеристика гамма-дефектоскопов приведена в табл.
В качестве высокоэнергетических источников тормозного рентгеновского излучения, обеспечивающих радиографический контроль сварных соединений, литья и проката толщиной до 500 мм по стали, используют ускорители, сообщающие электронам кинетическую энергию в диапазоне 1…100 МэВ. Отечественной промышленностью выпускаются три типа ускорителей — линейные, бетатроны и микротроны. Техническая характеристика некоторых из них представлена в табл.
Радиография основана на регистрации ионизирующих излучений с помощью серебросодержащих детекторов на прозрачной и непрозрачной основах (рентгеновских пленок, бумаг). В последние годы находит применение электрорадиография, которая основана на использовании полупроводниковых детекторов (пластин или цилиндров), сенсибилизируемых и обрабатываемых после экспонирования в специальной компактной аппаратуре. При этом изображение получают на обычной писчей бумаге. Получили распространение электрорадиографические аппараты типа ЭРЕНГ.
Для непрерывного контроля сварных швов применяют интроскопы, состоящие из рентгеновского аппарата, электронно-оптического преобразователя и видеоконтрольного устройства. В процессе контроля изделие равномерно перемещают между рентгеновской трубкой и приемником излучения (электронно-оптическим преобразователем). Такой контроль обеспечивает чувствительность 3…4% при просвечивании стали толщиной до 30 мм, с устройствами накопления 1,0… 1,5%.
Техническая характеристика некоторых радиационных интроскопов приведена в табл. 3.5. Новые возможности в определении распределения плотности, структуры пространственного армирования открываются с использованием различных радиационных томографов. В табл. 3.6 приведены технические данные радиационных томографов объединения “Спектр”. Томографический снимок — это изображение среза изделия в интересующей плоскости.
При механизированном и автоматизированном контроле сварных соединений и наплавки, чаще всего используют щелевой (полуиммерсионный) ввод УЗ-колебаний и прием отраженных сигналов через локальную жидкостную ванну. Для создания такой ванны в зазоре (щели) между преобразователем и поверхностью изделия применяют уплотняющие устройства всевозможных конструкций. Преобразователи, снабженные устройствами для создания щелевого зазора и локализации контактной жидкости, получили название ультразвуковых искательных головок. Такая искательная головка обеспечивает возможность контроля сварных соединений с прямолинейной, вогнутой, выпуклой или переменного профиля поверхностью без подгонки и притирки уплотняющего элемента по изделию.
По уровню механизации оборудование можно подразделить на средства малой механизации и автоматизированные системы. К средствам малой механизации относится тележка-дефектоскоп НК-120 для УЗК сварных швов полотнищ из листовой стали (например, заготовок рулонированных резервуаров). Тележка представляет собой платформу с расположенными по продольной оси катками, профиль которых зеркально повторяет профиль валика усиления сварных швов сваренного полотнища. Перемещаясь по сварному шву, дефектоскоп контролирует его с помощью двух или четырех преобразователей, расположенных по обе стороны от валика усиления.
Примером автоматизированной установки является установка НК-106, предназначенная для ультразвукового контроля сварных швов газонефтепроводных труб большого диаметра в потоке сварочных станов. Отличительными особенностями установки НК-106 являются: система отслеживания поверхности трубы; механоакустический блок, обеспечивающий возможность осуществлять контроль по прямой, К-образной и Ж-образной схемам. Контроль проводится при расположении сварных швов в горизонтальной плоскости за один проход.
Для контроля качества сварки взрывом биметаллических труб и три металлических колец созданы автоматизированные установки НК с раздельно-совмешенными преобразователями. Контроль осуществляется при вращении изделий и прямолинейном движении искательной головки, т. е. при относительном перемещении головки по спиральной траектории с шагом 8 мм. Компьютер, согласно заданной программе, управляет работой приводов, обрабатывает и выдает на экране дисплея информацию о качестве акустического контакта, наличии дефектов и их координатах, осуществляет распечатку информации в цифровом виде и управляет работой отметчика дефектов.
Ультразвуковой контроль наплавки чаще всего применяется в энергетическом машиностроении и для контроля элементов буровой техники. При контроле наплавки контролируется зона сплавления основного и наплавленного металла и непосредственно наплавленный слой изделия. При ультразвуковом контроле наплавки обычно применяют прямые или раздельно-совмещенные преобразователи.
Контроль проводится как со стороны основного металла, так и со стороны наплавленного слоя. Например, в Институте электросварки им. Е. О. Патона разработаны установка и технология автоматизированного ультразвукового контроля цапф лап буровых долот.
Для контроля кольцевых швов сваренных газо- и нефтепроводов диаметром 720… 1420 мм в полевых условиях предназначено полуавтоматическое устройство НК-143 “Спутник” , транспортная часть которого разработана на базе устройства для газовой резки труб “Ор-бита-2″. Устройство устанавливается на трубу и крепится с помощью разъемных поясов, являющихся направляющими для самоходного механоакустического блока. Два многоэлементных преобразователя подвешены шарнир-но в вилках амортизаторов и располагаются по обе стороны сварного стыка.
Оборудование для технической диагностики на основе акустической эмиссии (АЭ) включает: одно- и многоканальные приборы; преобразователи; вспомогательные устройства. Эти средства позволяют определять техническое состояние объекта и прогнозировать его остаточный ресурс как непрерывно, так и периодически. Как правило, результаты анализа и документирование обеспечиваются в реальном масштабе времени. Это оборудование применяется при изготовлении и эксплуатации нефте- и газопроводов, энергетических установок, транспортных средств, крупных сосудов высокого давления и пр.
Оборудование для технической диагностики на основе акустической эмиссии классифицируется в зависимости от назначения, канальи ости, габаритных размеров, условий эксплуатации. Оно позволяет определять наличие течей, развивающихся дефектов. Определение дефектных мест, оценка их по степени опасности, прогнозирование разрушающей нагрузки производятся по специальным алгоритмам. Обычно число каналов системы (8, 16, 32, 48…256 и т. д., наращиваемые до необходимого числа) зависит от сложности задачи.
Различают переносные и лабораторные установки, а также установки специального назначения для эксплуатации в воде и других средах. Суммарная электрическая мощность (0,5…40 кВт) зависит от размеров и канально-сти АЭ-блоков и используемых ЭВМ. Широко распространен одноканальный индикатор течей 5110 фирмы РАС (США) и двухканаль-ный 5120.
Четырехканальный АЭ-прибор “Defectofon NEZ-220″ (Венгрия) управляется с помощью микропроцессора Z-80. Режимы работы и измерений производятся по значениям выходных сигналов логарифмических усилителей. Обработанные результаты измерений микропроцессор передает на выходные блоки: управляет цифровым индикатором, находящимся на передней панели, световыми диодами, звуковой сигнализацией, записью данных в память, а также пересылает данные на внешнюю ЭВМ. В случае сбоя в работе можно проверить управляющую программу в 7-80 путем замены ее специальной поверочной программой. Прибор комплектуется четырьмя АЭ-датчиками производства ИЭС им. Е. О. Пато-на. В связи с относительно высокой стоимостью разработки и изготовления АЭ многоканальных систем одним из основных требований к ним является универсальность. Поэтому основное аппаратурное и программное ядро системы должно быть инвариантно относительно решаемых задач, а наиболее совершенные ее модификации должны обеспечивать диагностику и прогнозирование несущей способности конструкции с автоматическим принятием решения в реальном масштабе времени.
Комплект сварочных кабелей марки
НРШМ площадью сечения 70…95 мм2 соединяет источник питания, шкаф управления, шланговый держатель и изделие. Стандартная длина 60 м. При необходимости длину сварочной цепи можно нарастить, однако стабильность процесса в этом случае ухудшается ввиду увеличения активного, реактивного и емкостного сопротивления сварочной цепи и снижения возможностей источника питания по отработке возмущений, связанных с изменением вылета электрода и длины дуги. Сварочные кабели запрещено при работе укладывать в бухты или наматывать на вьюшки вследствие значительного увеличения индуктивного сопротивления сварочной цепи.
Полуавтоматы ПШ являются более совершенными. Так, погружной контейнер в воде весит всего 7 кг, а форма его удобна для переноски. Стальная спираль в гибком шланге держателя заменена пластмассовой трубкой, что повышает надежность аппарата и упрощает уход за ним. В аппаратном шкафу размещен блок защиты электропривода полуавтомата, своевременно сигнализирующий о наличии неисправности в цепи и эффективно защищающий элементы электросхемы от перегрузок и коротких замыканий. Подающий механизм имеет планетарный редуктор и две пары приводных роликов, позволяющих развивать достаточное усилие проталкивания порошковой проволоки со скоростью 0,027…0,14 м/с по шланговому держателю, не деформируя его оболочки. На катушку наматывается до 3,5 кг сварочной проволоки. Этого количества достаточно для выполнения сварки на силе тока 180…220 А в течение 2 ч.
Сухая сварка под водой. Для сварки трубопроводов под водой применяют накидные камеры, в которых размещается дефектный участок трубопровода и сварщик с набором механизированного инструмента и монтажных приспособлений. После проведения сварки соединения подвергают дефектоскопии. При отсутствии дефектов в шве на ремонтируемый участок наносится гидроизоляция. Специализированные камеры рассчитаны на несколько типоразмеров труб. Обычно для выполнения сварочных работ используется то же оборудование, что и при сварке на воздухе, установленное в специализированные контейнеры, размещенные непосредственно в камере. Источник питания находится либо на обеспечивающем судне, либо непосредственно в камере.
Обработка кромок перед сваркой выполняется многорезцовыми головками, а зачистка швов — абразивными кругами.
Для проведения ремонтных работ на стационарных основаниях используют накидные камеры, изготовляемые для каждого ремонтируемого узла. В камерах применяется такое же боксированное оборудование, как и при ремонте трубопроводов в специализированных накидных камерах. Такой способ ремонта трубопроводов и стационарных оснований позволяет получить высокое качество сварного соединения.
Наиболее целесообразно использовать способ сухой сварки на глубинах более 60 м, при наличии значительных илистых отложений, а также при плохой видимости и при скорости течения выше 0,7 м/с.
Способ с локальным осушением рабочей зоны. В специализированной мини-камере обеспечиваются удовлетворительные видимость и качество процесса. В камеру подается углекислый газ или его смесь с кислородом. Камеру прижимают к ремонтируемому участку. Уплотнение осуществляется по торцу мягкой резиновой прокладкой. Внутри камеры размещен держатель, по которому в зону сварки подается электродная проволока и защитный газ. Выполнение работ с использованием этой камеры требует очень высокой квалификации сварщика-водолаза.
Резка металлов непосредственно в воде. Основным способом подводной резки является электрокислородная резка металлическим трубчатым электродом. В состав поста для электрокислородной резки входят: электродо-держатель ЭКД-86-1 или ОБ 2667, конструкции ИЭС им. Е. О. Патона; кислородный шланг; комплект сварочных кабелей; кислородный баллон с редуктором; однополюсный рубильник, рассчитанный на силу тока 400 А; источник питания дуги с падающей внешней вольт-амперной характеристикой, обеспечивающей силу тока 400 А.
Пост предназначен для выполнения работ на глубине до 60 м. За исключением кислородного баллона и держателя применяется то же оборудование, что и при сварке под водой штучным электродом. Скорость электрокислородной резки с использованием электродов при резке стального листа 20 мм достигает 20 м/ч.
Механизированная бескислородная резка. В состав поста для механизированной бескислородной резки входит следующее оборудование: полуавтомат для подводной резки ПШ (возможно использование полуавтомата для механизированной подводной сварки А-1660; источники питания с жесткой внешней вольт-амперной характеристикой (возможно использование источников питания с полого падающей внешней вольт-амперной характеристикой), рассчитанные на силу тока не менее 600 А типов ВС; комплект сварочных кабелей; силовой рубильник (при использовании для резки полуавтоматов А-1660).
Для подводной механизированной электропорошковой резки ИЭС им. Е. О. Патона разработан специализированный полуавтомат типа ПШ-131, имеющий некоторые общие узлы с аппаратами для подводной сварки: контейнер из диэлектрического материала, гидрокомпенсатор давления, шланговый держатель и др. Однако его электропривод создан на базе асинхронного двигателя, имеющего постоянную частоту вращения 1500 мин-1. Изменение скорости подачи электродной проволоки осуществляется ступенчато с помощью сменных зубчатых колес. Как правило, режимы подводной резки не должны изменяться в течение одного спуска. Это ограждает источник питания от серьезных перегрузок. Значительно упрощает процесс и снижает требования к квалификации водолаза-резчика установленная на токоподводящем наконечнике держателя специальная керамическая насадка, позволяющая выполнять резку методом опира-ния.
Для резки черных и цветных металлов используют порошковую проволоку ППР-АН2 диаметром 2,2…2,4 мм. Скорость при резке металла толщиной 20 мм достигает 15 м/ч. Одной кассеты порошковой проволоки достаточно для ведения процесса в течение 45…50 мин. С ростом глубины производительность процесса снижается, так как возрастают потери в сварочной цепи с увеличением ее длины.
Плазменно-дуговая резка. Для плазменно-дуговой резки в пресной и морской воде металла толщиной 8…40 мм на глубине до 20 м разработана специализированная установка типа “Скат”. В качестве плазмообразующего газа используется воздух. Сила тока плазмотрона с цирконовым катодом 200…600 А при напряжении на дуге 120…250 В. Скорость резки в зависимости от глубины и толщины разрезаемого металла составляет 5…24 м/ч. В состав установки входит источник питания, пульт управления, компрессор, системы осушения воздуха и охлаждения плазмотрона, гирлянда кабелей и коммуникаций, а также плазмотрон.
Наиболее эффективна плазменно-дуговая резка при разделке корпусов судов на лом, так как мощность, необходимая для работы установки, доходит до 100 кВт. Сложность эксплуатации оборудования и ограниченный ресурс работы плазмотрона не позволили широко внедрить этот способ резки.
Экзотермическая резка металлов. В последние годы за рубежом разработано оборудование и технологический процесс экзотермической резки металлов и неметаллов под водой. В комплект оборудования входят: держатель для электродов с кислородным клапаном; комплект кислородных шлангов; комплект сварочных кабелей; рампа баллонов с редуктором, рассчитанным на большой расход газа. При использовании этого способа возможна резка металла и неметаллических материалов толщиной менее 150 мм на глубине до 300 м. Производительность процесса в зависимости от условий работы, глубины и толщины разрезаемого металла 3…30 м/ч.
Для защиты глаз сварщика-водолаза от действия электрической дуги применяют защитные стекла ТС-3 (класс светофильтра ЭС-100, классификационный номер 3) при сварке в воде с видимостью до 50 см и ЭС-300 (классификационный номер 2) при сварке в воде видимостью более 50 см. Возможно также применение защитных светофильтров марки ТС . При работе в трех-болтовом водолазном снаряжении защитные стекла устанавливаются в специальных откидных приспособлениях, прикрепляемых к переднему иллюминатору при помощи обоймы.
При подводной сварке для зачистки места сварки и швов, а также для удаления наплывов, брызг металла, шлака и других дефектов сварщик-водолаз должен иметь проволочную щетку, ручной молоток-секач, зубило и щуп для проверки зазоров и правильности подгонки привариваемых листов и заплат.
При сварке трубопроводов и других гидротехнических сооружений ответственного назначения подготовка поверхности под сварку и последующая зачистка швов должны производиться с помощью шлифовальной машинки ИП с набором металлических щеток и армированных абразивных кругов толщиной 3…6 мм. Возможная глубина, на которой можно выполнять работы, 30 м. Избыточное давление в системе 0,5…0,8 МПа. Оборудование для сварки и резки в космосе
Особенности оборудования для сварки и резки в космосе связаны со свойствами окружающей среды. Такое оборудование может быть специализированным (для выполнения однотипных операций с использованием одного технологического процесса) или универсальным (позволяющим выполнять различные операции и использовать несколько технологических процессов). В подавляющем большинстве случаев в качестве источника нагрева используется электронный луч, отличающийся наибольшей универсальностью и максимальным термическим КПД [13, 16].
Требования к оборудованию. Оборудование для сварки и резки металлов в условиях космоса должно, с одной стороны, обеспечивать необходимые параметры и качество, присущие сварочной аппаратуре, а с другой, — полностью соответствовать специфичным требованиям, предъявляемым к космическим объектам. Общими требованиями к космическому сварочному оборудованию являются: соответствие функциональным задачам; безопасность; высокая надежность; минимальные размеры, масса, энергоемкость; обеспечение контроля параметров процесса и диагностирования состояния оборудования; совместимость с системами и экипажами космических объектов; ремонтопригодность.
