Контроль сварных соединений: опыт компаний обсудили на «Металлообработка. Сварка — Урал — 2024»
Контроль качества сварных соединений и швов — обязательный этап сварочных работ, который позволяет своевременно выявлять скрытые и явные дефекты, подтверждая прочность изделий и гарантируя долговечность их эксплуатации.
Одним из самых современных способов проведения неразрушающего контроля качества сварных швов является радиография, основанная на просвечивании металла с использованием рентгеновских лучей или гамма-излучения. При аналоговой радиографии результаты фиксируются на рентгеновской плёнке, при цифровой — на специальных запоминающих пластинах и матричных цифровых детекторах.
На выставке «Металлообработка. Сварка — Урал — 2024» специалисты группы компаний «Неразрушающий контроль» поделились своими знаниями в области радиографического контроля сварных соединений. Как рассказал руководитель технического отдела Александр Аршинов, компания на протяжении восьми лет использует в своей работе цифровые плоскопанельные детекторы, и представленные на выставке доклады — результат этого эмпирического опыта.
Рентген в цифре
Производители предлагают различные модели детекторов, на первый взгляд их схемы принципиально не отличаются друг от друга. Корпус обычно выполнен из пластика или лёгкого металла (например, алюминия), чтобы снизить массу изделия, а защитный экран для матрицы — из карбона, который прозрачен для рентгеновского излучения и не влияет на качество изображения.
Слой сцинтиллятора преобразует кванты в свет, его принимает светочувствительная TFT- или CMOS-матрица. В детекторах на основе TFT-технологии основным элементом являются фотодиоды на основе аморфного кремния, тогда как CMOS-матрицы содержат полупроводниковые светочувствительные элементы. По наблюдениям специалистов компании «Неразрушающий контроль», первые получили более широкое распространение благодаря тому, что сохраняют свою работоспособность дольше и при более жёстких энергиях излучения.
Диоды в составе матрицы воспринимают летящий свет фотонов и переводят его в электрический ток, который принимают тонкоплёночные транзисторы. В составе детектора также есть элементы микроэлектроники, которые отвечают за ввод и вывод этих данных через кабель или Wi-Fi на компьютер, где установлено специализированное программное обеспечение для обработки цифровых рентгеновских снимков. Программное обеспечение также играет немаловажную роль в выявляемости дефектов, производительности контроля и метрологическом обеспечении комплексов цифровой радиографии.
При выборе комплекса надо правильно понимать задачу контроля, требования к ПО и одновременно учитывать ещё ряд факторов: тип матрицы и сцинтиллятора, размеры детектора и пикселя, разрешающую способность и чувствительность к рентгену, степень экранирования электроники и защищённости от обратно-рассеянного излучения, класс пылевлагозащиты и т. д.
«Если говорить про источники излучения, которыми проводят экспонирование, то они остаются примерно такими же, как и при плёночной радиографии. На плёнку можно светить рентгеновскими аппаратами, гамма-источниками и жёстким излучением, таким как бетатроны. Цифровые детекторы в этом смысле (по крайней мере в рамках той продукции, которую мы представляем) воспринимают энергию рентгеновского излучения до 450 кВ.
Ускорители электронов — это задел на будущее, над этим мы тоже работаем. С гамма-дефектоскопами практика тоже есть, как и опыт использования иридия и селена — в атомной отрасли эта модель проходит процедуру аттестации», — поделился планами по развитию цифровой радиографии Александр Аршинов.
Организационные вопросы
Одним из основных преимуществ классических плёночных систем перед цифровыми до недавнего времени являлась доступность расходных материалов. Однако в текущих геополитических условиях в России наблюдается дефицит качественной плёнки, которую производят главным образом в «недружественных» странах (Японии, США, Бельгии). Импорт этой продукции возможен, но, как всегда в таких случаях, он связан с увеличением сроков поставки и стоимости.
А если объёмы контроля сварных соединений на предприятии большие, доставлять расходники из-за границы может быть крайне невыгодно. К тому же дефицит усложняет процесс подбора подходящего типа плёнки. Как пояснил Александр Аршинов, аналоговые системы обладают небольшой фотографической широтой, поэтому нужно не только грамотно подобрать плёнку, но и настроить экспозицию, фокусное расстояние и другие параметры. Для корректной работы цифровых детекторов тоже нужна настройка, но не столь тщательная, как для плёночной системы.
Кроме того, для работы с плёнками требуется большой штат сотрудников и целый комплекс специализированных помещений, чтобы проводить фотохимическую обработку снимков, которая включает несколько операций: проявку и закрепление изображения, промывку и сушку плёнок. Также предприятию необходимо организовать правильные условия для их хранения с соблюдением режимов температуры и влажности. В зависимости от области применения изделия снимки должны храниться от года до нескольких лет (в атомной отрасли этот срок может достигать полувека).
«Результат цифровой радиографии — файл, который может храниться в электронной базе данных. Это означает, что мы можем оперативно получать доступ к хранилищу, находить там нужные снимки и отправлять их по запросу на любые расстояния. Мы можем создать защищённый доступ, если информация секретна. С плёнкой гораздо сложнее — для начала её нужно отыскать в архиве.
По статистике, не менее 15% снимков после архивирования просто не могут найти. При правильном экспонировании и поддержании необходимых условий аналоговые снимки могут храниться в архиве до 100 лет. Но далеко не всегда всё идеально. С цифровыми файлами намного проще — при обеспечении резервного копирования они могут храниться вечно», — пояснил Александр Аршинов.
Неудивительно, что промышленники нередко прибегают к оцифровке аналоговых снимков. Для этого используют специализированные сканеры, позволяющие получать изображение высокого качества. Однако это означает дополнительные финансовые затраты на покупку оборудования и расширение штата персонала. Помимо этого, при пленочной радиографии необходимо утилизировать использованные химические реактивы и ненужные плёнки.
Автоматизация и экономия
Одним из преимуществ цифровой радиографии является возможность механизации процессов оценки качества сварных соединений вплоть до полной автоматизации. Такие системы можно размещать стационарно или использовать мобильные устройства для работы в полевых условиях. При этом Александр Аршинов отметил, что механизированные комплексы не подходят для контроля соединений на разнотипных объектах с различной геометрией и толщинами. Зато они будут эффективны, например, при оценке качества сварных швов линейного трубопровода и объектов крупносерийного производства.
Опыт сотрудников цифровой лаборатории ГК «Неразрушающий контроль» показывает, что применение цифровых детекторов способствует сбережению ресурса рентгеновского аппарата. Причина в том, что такие устройства более чувствительны, чем аналоговые системы. Их квантовый выход составляет более 50%, в то время как у плёнки он исчисляется единицами — около 2–5%, остальное пролетает сквозь неё.
«Таким образом, при использовании детектора экспозиция сокращается по времени, и в то же время можно уменьшать интенсивность излучения. По данным весьма авторитетных производителей таких устройств, уменьшение тока накала рентгеновской трубки на 15% приводит к увеличению её ресурса в три раза и даже более. То есть, незначительно уменьшая ток накала, мы очень серьёзно экономим ресурс трубки.
Есть заблуждение, что экономия происходит за счёт снижения киловольт, но это не так. Наоборот, трубку периодически нужно тренировать до максимальных значений, даже если в работе вы используете её только на низких энергиях», — пояснил Александр Аршинов.
Легальная технология
Когда дело касается применения новых технологий, всегда встаёт вопрос о наличии нормативной документации, подтверждающей право предприятия на их внедрение. Специалисты ГК «Неразрушающий контроль» отмечают, что довольно часто критически настроенные потенциальные заказчики говорят о том, что в области цифровой радиографии сварных соединений нормативки нет.
Однако на самом деле существует ГОСТ ISO 17636–2 от 2017 года, который описывает методику применения матричных плоскопанельных детекторов, а также фосфорных многоразовых пластин, которые используют в так называемой компьютерной радиографии. Также есть ГОСТ ISO 10893–7 от 2021 года, разработанный для производителей трубной продукции, где описана процедура контроля качества стальных труб, как бесшовных, так и со сварными соединениями.
«Не стоит забывать и про старые методики. Есть производственные инструкции, отраслевые стандарты 1980‑х годов, которые посвящены рентгеноскопии с применением РЭОП (рентгеновских электронно-оптических преобразователей). По этим стандартам можно работать, их никто не отменял.
В них, как правило, содержится раздел, который бывает по-разному сформулирован, но суть одна — применение прочих типов детектирования. И если вчитаться, то там содержится главное требование для любого вида контроля — подтверждение чувствительности», — подчеркнул Александр Аршинов.
Если продолжить сравнение с аналоговой радиографией, то требования к ней закреплены в основополагающих документах — ГОСТ 7512 от 1982 года и ISO 17636–1 от 2017 года. Одним из ключевых параметров качества плёночного изображения является минимальная оптическая плотность снимка.
«По сути, она выступает мерой статистики накопленных квантов. В цифровой радиографии нет такого понятия, как «оптическая плотность». А значит, должна быть введена другая мера статистики, и по нормативным документам это превышение минимально требуемого значения отношения «сигнал/шум». Мы сталкиваемся с этим понятием в бытовом контексте — это комплексный показатель качества работы любого бытового электроприбора.
Например, радио в машине: если вы разборчиво понимаете речь, это хорошее отношение «сигнал/шум», если же речь неразборчива — соотношение плохое. То же самое с изображением — вы либо отчётливо видите изменения в структуре материала, наличие или отсутствие несплошностей, либо можете в шумах их не разглядеть», — прокомментировал руководитель технического отдела ГК «Неразрушающий контроль».
Следующий важный параметр — геометрическая нерезкость изображения, которая при аналоговой радиографии не должна быть превышена в соответствии с международным стандартом. По словам Александра Аршинова, данный параметр рассчитывается по формулам, в которых учитываются фокусное пятно рентгеновской трубки, фокусное расстояние и геометрия просвечивания.
Это создаёт сложности для разработчиков техкарт, поскольку требует грамотного подхода и хороших математических способностей. В цифровой радиографии для этого используют специальный эталон двухпроволочного типа, в котором каждая следующая пара проволок уменьшается по диаметру. По их изображению на снимке оценивают его пригодность к расшифровке и соответствие требованиям нормативных документов.
«Одно из требований относится к перепаду толщин изделия, которые мы можем проконтролировать за одну экспозицию. Сложно сказать, почему такое ограничение, установленное для аналоговой радиографии, продублировано для цифровых детекторов. Тем не менее это было сделано.
Перепад толщины должен составлять для класса А не более 20%. Хотя многие пользуются тем, что цифровой детектор может за одну экспозицию, например, просветить металл толщиной 35 мм — и сразу же 47 мм.
Динамический диапазон цифровых детекторов позволяет контролировать в одной экспозиции изделия, которые на плёнку пришлось бы просвечивать несколько раз. А в сложных деталях, таких как отливки, может потребоваться даже три или четыре разных режима», — пояснил руководитель технической службы ООО «Неразрушающий контроль».
Опыт применения
Цифровая радиография многофункциональна, но не всеобъемлюща. Детекторы имеют массу и габариты фиксированных значений, а их установка на объект не так универсальна, как в случае с плёнкой, которую можно нарезать на удобный размер и расположить в труднодоступных местах.
Возникают ситуации, когда нормативная документация предписывает контроль на плёнку, и тогда требуется пересогласование способа контроля с заказчиком. И всё же применение цифровых детекторов там, где это возможно, способствует повышению производительности предприятия и качества контроля.
Специалисты ГК «Неразрушающий контроль» убеждены, что можно решить этот вопрос, переведя хотя бы часть операций на цифру. По их опыту, даже заменив аналоговые снимки на цифровые всего на 20%, можно получить заметный экономический эффект. Примеров эффективного применения комплексов цифровой радиографии в практике компании довольно много. О некоторых из них рассказал начальник лаборатории ООО «СМСЛ» (входит в ГК «Неразрушающий контроль») Александр Злыгостев.
«Наиболее интересными и знаковыми были контроль «золотых» стыков на газоперерабатывающем заводе и сложного «захлёста» 1420 х 40 мм. В подобных случаях контроль возможен только через две стенки, а такую большую толщину не взять на плёнку портативными рентгеновскими аппаратами 300 кВ.
Интересный опыт мы получили на объектах нефтепереработки, где выполняли контроль состояния трубопроводов и оборудования без снятия изоляции и вывода внутренней среды. Температура на поверхности объектов находилась в диапазоне от +50 до +400 °C, а среда варьировалась от паров бензина до мазута, диаметр трубопровода достигал 426 мм.
Мониторинг состояния стал возможен благодаря алгоритмам получения и обработки цифровых снимков, свойственных только плоскопанельным матричным детекторам, а также функционалу, реализованному в программном обеспечении», — поделился Александр Злыгостев.
При правильном экспонировании и поддержании необходимых условий аналоговые снимки могут храниться в архиве до 100 лет С цифровыми файлами намного проще — при обеспечении резервного копирования они могут храниться вечно
Текст и фото: Мария Кармакова
