CC BY
23ДИАГНОСТИКА
УДК 620.1:622.69
М.П. Тульский1 Д.В. Окунев2, e-mail: [email protected]; И.П. Литвинов2
1 ПАО Газпром (Москва, Россия).
2 ООО «НИИЦ СТНК «Спектр» (Москва, Россия).
Технология проведения квалификационных испытаний средств неразрушающего контроля. Классификация средств ультразвукового контроля
В статье описана технология проведения квалификационных испытаний средств неразрушающего контроля стыковых кольцевых сварных соединений трубопроводов, позволяющая снизить стоимость испытаний и сократить их сроки. Раскрыта задача квалификационных испытаний и определены их этапы. Приведены ссылки на нормативные документы, устанавливающие требования к программе квалификационных испытаний и обработке данных. Установлены требования к количеству дефектов в различных зонах сварного шва и приведена классификация дефектов. Определен наиболее эффективный способ изготовления дефектов.
Описано применение метода радиационной томографии для измерения реальных размеров дефектов и показано его преимущество перед металлографическим методом исследования на основе сравнения стоимостных характеристик и производительности. Обосновано, что использование томографического метода позволяет выполнить проверку результатов измерений и корректировку параметров индикаций дефектов, сделать исследование более точным.
Определены параметры, измеряемые в ходе испытаний установок неразрушающего контроля. Предложена система классификации установок ультразвукового контроля по функциональным возможностям. Особое внимание уделено классификации установок ультразвукового контроля по аппаратной реализации контроля и классификации по методологии использования ультразвука.
Материалы подготовлены на основе результатов квалификационных испытаний установок неразрушающего контроля, проведенных ООО «НИИЦ СТНК «Спектр» совместно с ПАО «Газпром» в 2014 г.
Ключевые слова: квалификационные испытания, средства неразрушающего контроля, система классификации установок, дефекты сварного шва, радиационная томография.
L.S. Tulskiy1, D.V. Okunev2, e-mail: [email protected]; I.P. Litvinov2
1 Gazprom Public Company (Moscow, Russia).
2 NIITs STNK Spektr LLC (Moscow, Russia).
Technology for conducting the qualification tests of non-destructive testing means. Ultrasonic testing means classification
The article describes the technology for conducting the qualification tests of piping butt ring welded joints non-destructive testing means that allow reducing the tests cost and shorten their terms. The task of qualification tests is disclosed and their stages are determined. References to regulatory documentation that establish the requirements for qualification tests program and data processing are made. Requirements for the number of defects in the welded joints different zones are established, and defects classification is provided. The most effective way of defects manufacturing is defined. Radiographic tomography method application to measure the actual size of defects is described, and its advantage over the metallographic examination method is shown on the basis of cost and performance characteristics comparison. It is proved that the use of tomographic method allows testing the measurements results and defects indications parameters adjustment, and make the research more accurate.
Parameters measured during the test of non-destructive testing facilities are defined.
Classification system for ultrasonic testing systems for functional features is proposed. Particular attention is given to the classification systems of ultrasonic testing on the hardware implementation of monitoring and classification by methodology for the ultrasound use.
Materials are prepared on the basis of non-destructive testing facilities qualification tests results, conducted by NIITs STNK Spektr LLC in cooperation with Gazprom Public Company in 2014.
Keywords: qualification tests, non-destructive testing means, units' classification system, welded joints defects, radiographic tomography.
Таблица 1. Минимальное количество дефектов в различных зонах сварного шва Table 1. Minimum number of defects in the welded joints different zones
Зоны сварного шва Welded joints zones Минимальное количество дефектов Minimum number of defects
Корень Root 29
Горячий проход Hot pass 29
Заполняющие слои Filling runs 29
Облицовочный слой Facing layer 29
В статье описана технология проведения квалификационных испытаний средств неразрушающего контроля стыковых кольцевых сварных соединений трубопроводов, позволяющая снизить стоимость испытаний и сократить их сроки. Предложена система классификации установок ультразвукового контроля по функциональным возможностям. Материалы подготовлены на основе результатов проведения в 2014 г. квалификационных испытаний установок неразрушающего контроля.
Задачей квалификационных испытаний является определение реальных возможностей установок неразрушающего контроля (НК) по выявлению дефектов, расчет ошибок измерения размеров дефектов.
В основе программы квалификационных испытаний лежат требования документов [1, 2]. Обработка данных выполняется с учетом рекомендаций [3, 4, 5].
ИСПЫТАНИЯ ДОЛЖНЫ ВКЛЮЧАТЬ СЛЕДУЮЩИЕ ЭТАПЫ:
• изготовление контрольных сварных соединений (КСС);
• изготовление калибровочных блоков для настройки установок;
• предварительный контроль КСС радиографическим методом;
• контроль КСС установками УЗК с документированием результатов;
• выполнение тестов, подтверждающих работоспособность установок контроля (тест на повторяемость результатов, проверка влияния температуры сварного шва на чувствительность УЗК, проверка качества акустического контакта);
• измерение реальных размеров не-сплошностей в сварном шве;
• определение точности оценки параметров несплошностей (абсолютные ошибки измерения). Для того чтобы значения абсолютных ошибок измерения были достоверными, количество дефектов в различных зонах сварного шва должно соответствовать требованиям таблицы 1. Каждая зона сварного шва должна содержать ха-
рактерные для используемого метода сварки допустимые и недопустимые дефекты, дефекты искусственного (~70% общего числа дефектов) и естественного происхождения (~30%). Расстояния между дефектами должны превышать 20-25 мм, чтобы при анализе их можно было корректно измерить. В облицовочный слой включаются де-
Газовая полость Gaseous cavity
Имитатор скопления 4х пор с газовой полостью Simulator of accumulating 4 spores with gaseous cavity
Расплавленная твердосплавная пластина в корне шва
Molten carbide insert at the weld root
Твердосплавная
Carbide insert
Рис. 1. Размеры реальных несплошностей не совпадают с размерами твердосплавных пластинок, пазов и сверлений, использованных для изготовления дефектов
Fig. 1. Dimensions of real discontinuities do not coincide with the size of carbide inserts, grooves and bores used for defects manufacturing
пластина
Ссылка для цитирования (for references):
Тульский М.П., Окунев Д.В., Литвинов И.П. Технология проведения квалификационных испытаний средств неразрушающего контроля. Классификация средств ультразвукового контроля // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 12. С. 86-92.
Tulskiy L.S., Okunev D.V., Litvinov I.P. Technology for conducting the qualification tests of non-destructive testing means. Ultrasonic testing means classification (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ.» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 1. P. 86-92.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 12 december 2015
87
ДИАГНОСТИКА
о
-3 -6 -9 -12 -15 -18 -21 -24 -27
CNCNMtNCNCNMCNOMmt^mt»!
Профиль разделки сварного шва Welded joint breaking profile
KCC4.2 (CRC AW, тип разделки №1)
'схема закладки дефектов 4.2 ■томография+ВИК РУЗК.УД9812 ■PY3K.Peleng-307 (УДЗ-307ВД) ■Py3K.Harfang PRISMA GM РУЗК.УСД-50 ■My3K.Omniscan MX2 •MY3K.MScan-Supor MY3K.Harfang VEO GS •МУЗК.УСД-60-8К Ay3K.Aigovision ■Ay3K.PipeWizard
• Ay3K.Rotoscan Paulis PA 128 »АУЗК.ТУР128
АУЗК.ТУР128 FMC ■АУЗК.ТУР128 FMC +4<ffl
• АУЗК. Abtokoh-AP АУЗК.Автоскан
■АУЗК.Скаруч-УМКА Ay3K.WeldStar
Рис. 2. Фрагмент развертки сварного шва с индикациями обнаруженных дефектов Fig. 2. Profile of bevel scan with indication of found defects
Высота дефектов. Расхождение результатов АУЗК.1 и томографии КСС1.2 (РЧОТ, тип разделки №2) кол .измерени й=61 погрешность=-0,1±0,3
ovr(2o)=-0,1+2,1 undr(2o)=-0,1-2,1 идеальный результат
результат томографии, мм
а) a)
40
Длина дефектов. Расхождение результатов АУЗК.1 и томографии КСС1.2 (PWT, тип разделки №2) кол.измерений=57 погрешность=-0,3±0,6
С ^
оО
ovr(2o)=-0,3+4,6 undr(2c)=-0,3-4,6 - идеальный результат
"1 Г
результат томографии, мм
35
40
45
50
Рис. 3. Графики расхождения результатов измерения высоты (а) и протяженности (б) дефектов при УЗК и томографии сварного шва
Fig. 3. Charts of discrepancies in results of measured height (a) and length of (b) defects at ultrasonic inspection and welded joints tomography
фекты, лежащие на глубине до 5 мм от поверхности.
По результатам предварительного РК рекомендуется убрать из рассмотрения дефекты, перекрывающие друг друга в вертикальном или горизонтальном сечениях шва, так как они могут быть некорректно измерены методом УЗК. Для измерения реальных размеров дефектов нормативная документация [1] рекомендует металлографический метод исследования (метод «салями»), при котором дефектная зона нарезается на шлифы. Высота дефекта, выходящего на шлиф, должна измеряться с точностью ±0,1 мм, при этом точность измерения протяженности зависит от шага выполнения шлифов. Данный метод весьма трудозатратен, его применение делает невозможным оперативное выполнение больших объемов работ. Проблему решает применение радиационной томографии.
Для изготовления дефектов необходимо подготовить карту их расположения с указанием номеров сварочных слоев, типов и параметров закладываемых дефектов.
Предыдущий опыт проведения квалификационных испытаний показал, что
Таблица 2. Стоимостные характеристики томографического контроля Table 2. Tomography inspection cost characteristics
Время сканирования темплета длиной 400-410 мм, ч Scanning time of template with length of 400-410 mm, h 4-5
Время обработки данных сканирования темплета длиной 400-410 мм, ч Time for processing the data of scanning the template with length of 400-410 mm, h 3-4
Общая протяженность шва, обработанного за сутки, мм The total length of joints, processed per day, mm 1200
Количество дефектов, обработанных за сутки, шт. The number of defects, treated per day, pcs. 27-32
Стоимость обработки одного дефекта, усл. ед. Cost of one defect treatment, conditional unit 10-12
получить дефекты с заданными параметрами изменением режимов сварки невозможно. Кроме того, данный способ не позволяет получить дефекты с высотой менее высоты сварочного слоя и протяженностью менее 10-12 мм. Вваривание пластин из неплавящихся материалов в сварочную ванну трудноосуществимо.
Наиболее эффективным способом изготовления дефектов является механический способ.
Плоскостные дефекты по разделке кромок и имитаторы трещин изготав-
ливаются с помощью фрезы из спеченных алмазных дисков или электроэрозионным способом.В полученный пропил (паз) шириной 0,4-0,5 мм укладывается твердосплавная пластина, верхний край пропила закернивается. Опыт квалификационных испытаний показал, что можно обойтись и без твердосплавных пластин: расплавленный металл, как правило, не заливает пазы.
Дефекты типа пор и скоплений имитируются высверливанием и последующим закерниванием отверстий.
Следует учесть, что при изготовлении внутренних дефектов механическим способом невозможно получить несплошность точно заданного размера. Протяженность и высота искусственного отражателя определяется глубиной проплавления верхней кромки паза, глубиной фрезеровки и диаметром фрезы. Газы, поднимающиеся из паза при заварке дефекта, могут создать скопление пор или вертикальный воронкообразный газовый канал над дефектом и изменить его геометрию (рис. 1).
Просто, Иыщнодомо! 15
г
m
закрытое Акционерное общество
(831)258-39-58, тел./факс (831)258-39-66, e-mail: [email protected]
Литкор Литкор-НН Литкор-НН-Арм Литкор-ПТ
www.ruiz.ru
Пирма Литэп
11 KU|J г
X
1Ж
Защита от коррозии стальных подземных конструкций: трубопроводов, резервуаров различного назначения
Изоляция тройников, крестовин, отводов, мест врезок, сварных стыков и других элементов трубопроводов
Ремонт поврежденного изоляционного покрытия
на правах рекламы
ДИАГНОСТИКА
Распределение погрешностей измерения глубины залегания H дефекта
■АУЗК1_КСС12 АУЗК.2 КСС12 АУЗК.З КСС1.2
а) a)
Распределение погрешностей измерения протяженности L дефекта
- АУЗК 1 _КСС 12 -АУЗК.З КСС12
'АУЗК.З КСС1.2
0,3
б) b)
Рис. 4. Гистограммы распределения погрешностей измерения глубины залегания (а) и протяженности (б) дефектов*
* Установки УЗК1 и УЗК2 имеют меньший разброс погрешностей, чем УЗК3, что позволяет им оценить параметры дефекта с более высокой точностью
Fig. 4. Histograms of the errors distribution in measurement of depth (a) and Length of (b) defects*
* Units УЗК1 and УЗК2 have the smaller error range than УЗК3 that allows more accurate estimation of their defect parameters
Электроэрозионное изготовление внутренних дефектов требует большего времени, но дает более предсказуемые результаты по протяженности и высоте дефектов, чем изготовление фрезерованием. Данный метод лучше использовать для изготовления имитаторов дефектов, расположенных в нижних слоях шва, где использование фрезы невозможно, и поверхностных дефектов: подрезов, непроваров в корне шва, трещин в облицовке шва, несплавлений, выходящих на поверхность. Томографическая установка GE v|tome|x m300 (производство компании GE Sensing & Inspection Technologes GmbH),
выбранная для проведения измерения размеров дефектов сварного шва, дает возможность регистрировать дефекты объемом от 0,1 мм3, различать детали изображения размером от 0,5-1 мкм. Для проведения томографического исследования из сварного шва вырезаются темплеты длиной 400-420 мм и шириной 25-26 мм. При проведении радиационной томографии необходимо правильно выбрать минимальный регистрируемый и индицируемый объемы несплошности, шаг поворота объекта при просвечивании.Данные параметры влияют не только на количество выявленных дефектов, но и на время
сканирования и, следовательно, стоимость исследования. Уменьшение объема регистрируемых дефектов ведет к появлению помех и избыточного количества информации. Так, при установке регистрируемого объема 0,3 мм3 было получено около 7 тыс. индикаций в кольцевом шве трубы 1420х26. При увеличении объема до 0,8 мм3 полученное количество индикаций стало примерно соответствовать количеству индикаций, зарегистрированных установками АУЗК (90-120 индикаций в шве). Точность измерений, выполненных томографической установкой, подтверждена данными металлографии. Расхождение результатов измерения линейных размеров данными методами составило 7,7±8,7 мкм, а по глубине залегания - 103,6±47,6 мкм, что примерно соответствует предельной точности измерения при металлографическом исследовании шлифов. Сравнение стоимостных характеристик металлографического и томографического контроля (табл. 2 и 3) показывает почти пятикратное преимущество томографического метода по производительности и пятидесятикратное - по стоимости. Увеличение количества анализируемых дефектов увеличивает стоимость металлографического исследования и практически не сказывается на стоимости томографии. Использование томографического метода позволяет выполнить проверку результатов измерений и корректировку параметров индикаций дефектов, сделать исследование более точным. Результаты томографии могут быть использованы для корректировки чувствительности УЗК. В ходе испытаний установок НК должны измеряться: протяженность, высота и глубина залегания дефектов. Для установок, выполняющих разбраковку по амплитудному критерию, - протяженность, глубина залегания и амплитуда эхо-сигнала.
В соответствии с требованиями нормативной документации ПАО «Газпром», глубина залегания дефекта не входит в перечень критериев разбраковки сварного шва, но ее точное измерение обязательно для установок, применяемых при строительстве и капитальном
90
№ 12 декабрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
DIAGNOSIS
ремонте. Знание этого параметра позволяет отрегулировать режимы сварочной установки для конкретного сварочного слоя.
На основании анализа данных томографии и результатов контроля КСС, полученных установкой НК, вычисляется среднее значение и дисперсия абсолютных ошибок измерения параметров дефекта. Для облегчения анализа результатов строится развертка сварного шва с индикациями обнаруженных дефектов (рис. 2), графики расхождения результатов НК и томографии (рис. 3). По гистограммам распределения значений абсолютных ошибок можно сравнить точность оценки параметров дефектов различными установками НК. Построение гистограммы распределения обнаруженных несплошностей по глубине сварного шва (рис. 5) позволяет определить допустимость применения установки при строительстве и капитальном ремонте трубопроводов. Значения ошибок измерения дефектов должны учитываться при выработке индивидуальных критериев разбраковки для каждой установки НК. Критерии разрабатываются на основе инженерной оценки допустимых дефектов для конкретного типа трубы и участка прокладки трубопровода. Рисунок 6 иллюстрирует преимущества применения установок НК с более точными показателями измерения размеров дефектов. На графике изображены границы областей допустимых дефектов для кольцевого сварного шва трубы (базовая характеристика) и двух установок УЗК. Выше границ находится область недопустимых значений параметров дефектов. Критерии для установок УЗК получают вычитанием ошибок измерения дефектов из базовой характеристики. Размеры допустимых дефектов для установки УЗК1 с меньшими значениями ошибок почти в два раза превышают допустимые размеры для установки УЗК2. Это означает, что количество дефектов, идентифицированных как недопустимые по результатам контроля более точной установкой НК, будет меньше, а затраты на ремонт сварных швов - ниже.
Допустимость применения установки УЗК для контроля конкретной разделки
сварного шва должна определяться по результатам квалификационных испытаний. Схемы контроля, реализуемые установками УЗК, должны классифицироваться по аппаратной реализации контроля и методологии применения ультразвука. Нормативная документация должна содержать требования к допустимости применения установок определенного класса для контроля конкретных типов сварных соединений. Функциональные возможности установок предлагается описывать
цифробуквенным кодом. (Установки УЗК дают возможность гибкой перенастройки параметров контроля, поэтому конкретная установка может иметь несколько классов обозначений.)
КЛАССИФИКАЦИЯ УСТАНОВОК УЗ КОНТРОЛЯ ПО АППАРАТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ:
1 - контроль с использованием одного акустического канала (акустический канал характеризуется следующими параметрами: направлением излуче-
а) а)
350% 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0%
б)Ь)
Распределение индикаций дефектов по глубине залегания в %% от общего числа дефектов* обнаруженных по ре зультатам томографии и В И К
oAYHl-KCClJ оауж- kcc2j в ЛУЖ- кссзл ■ луж* kcc-j-2
глубина эалегэния дефекта, мм
№
21
26
Рис. 5. Гистограммы распределения обнаруженных дефектов по глубине контрольных сварных соединений:
а - типичные результаты ручного УЗК КСС1.2 с узкой разделкой: выявлены несплошности, лежащие в приповерхностных зонах и зоне горячего прохода; дефекты типа несплавлений по кромке практически не выявляются; б - результаты автоматизированного УЗК КСС1.2 - КСС4.2 с различными типами разделки установкой без применения TOFD и с фокусировкой лучей на три зоны шва: середина зоны фокусировки указывается в заключении по результатам НК как глубина залегания дефекта, что не позволит отрегулировать параметры сварочной головки и приведет к нарастанию количества брака
Fig. 5. Histograms of found defects distribution in the depth of control welded joints: a - typical results of manual УЗК КСС1.2 with narrow cut: revealed discontinuity lying in the near-surface zone of the hot passage zone; defects such as poor fusion at the edge are virtually undetectable; b - results of the automated УЗК КСС1.2 - КСС4.2 with various types of cut with installation without application TOFD and focusing the beams into three zones of joint: midpoint of focus zone is indicated in conclusion of non-destructive testing result as the depth of defect deposit that will not allow adjustment of the parameters of the welding head and will lead to increase in the defects number
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 12 december 2015
91
ДИАГНОСТИКА
Таблица 3. Стоимостные характеристики металлографического контроля Table 3. MetaLLographic examination cost characteristics
Минимальное количество шлифов на 1 дефект Minimum number of polished specimens per 1 defect 10
Максимальное количество шлифов, выполненных за сутки, шт. Maximum number of polished specimens performed during the day, pcs. 18-22
Количество дефектов, обработанных за сутки, шт. The number of defects, treated per day, pcs. 2-2,2
Стоимость обработки одного дефекта, усл. ед. Cost of one defect treatment, conditional unit 400-500
допустимые размеры дефектов для установок УЗК с различными точностями измерения параметров дефектов
т Размеры допустимых дефектов кольцевого стыкового сварного шва трубы 1}хТ
"Граница области допустимых дефектов (усл.размеры) для установки УЗК1 с
несплопшостей ДЬ=0Д—0,4 и ДЬ=1,6£1,4мм ■ Допустимые условные размеры дефектов для установки УЗК1
т Граница области допустимых дефектов (усл.размеры) для установки УЗК2 с несполшностей ЛЬ=0,2=1,0 и ЛЬ=1,6±2,0мм Допустимые условные размеры дефектов для установки УЗК2
протяженность дефекта, мм
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140
Рис. 6. Графическое сравнение параметров зон допустимых дефектов для установок УЗК с различными значениями абсолютных ошибок измерения условных размеров дефектов Fig. 6. Graphical comparison of the parameters of ones of permissible defects for ultrasonic inspection units with different values of absolute measurement of relative defects size errors
ния,типом излучаемой волны, параметрами фокусировки излучения). Параметры излучаемого сигнала не изменяются в ходе контроля. Запись результатов контроля выполняется вручную в отдельных точках контролируемого объекта;
2 - контроль с использованием нескольких акустических каналов. Параметры каналов не изменяются в ходе контроля. Запись результатов контроля выполняется автоматически по всему проконтролированному объекту;
3 - контроль с использованием фазированных решеток. При контроле
применяется физическая фокусировка УЗ-луча, динамическое изменение схем прозвучивания в зависимости от параметров разделки сварного шва, может использоваться секторное сканирование, линейное сканирование под несколькими углами. Запись результатов контроля выполняется автоматически по всему проконтролированному объему;
4 - контроль с использованием антенных решеток. При контроле применяется программная (математическая) фокусировка УЗ-луча. Запись результатов контроля выполняется автомати-
чески по всему проконтролированному объему.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО МЕТОДОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА:
A - прозвучивание отдельных зон контролируемого объема сварного соединения, охват контролируемой зоны может осуществляться перемещением пьезоэлектрического преобразователя в направлении, перпендикулярном продольной оси шва; B - зонный контроль разделки и объема сварного шва (при зональном методе контроля поверхность разделки сварного соединения делится по высоте на зоны, приблизительно равные высоте сварочного слоя. Высота зоны горячего прохода и корневой зоны устанавливаются в соответствии с параметрами разделки сварного шва. Зона заполнения сварного шва делится на зоны, высота которых зависит от толщины контролируемого соединения. Для каждой зоны контроля формируется индивидуальная совмещенная или тандемная схема прозвучивания, которая зависит от угла разделки кромок и условий выявления дефектов. Деление разделки на зоны позволяет осуществлять оперативную регулировку параметров сварочных головок при обнаружении дефектов); C - метод TOFD (метод ультразвукового контроля (Time-of-FLight Difraction), выполняемого в соответствии с требованиями стандартов ISO 16826, ISO 10863);
D- головные волны.
Литература (References):
1. DNV-0S-F-101 Submarine Pipeline Systems. Offshore Standard.
2. DNV-RP-F118 Pipe Girth weLd AUT system qualification and project specific procedure validation. Recommended Practice.
3. NT Techn Report 394 Guidelines for NDE Reliability Determination and Description.
4. NT TR 427. Guidelines for Development of NDE Acceptance Criteria. Nordtest Technical Report.
5. MIL-HDBK-1823A. Nondestructive evaluation system reliability assessment. 7 April 2009.
