Неразрушающий контроль: как находят дефекты в металле и сварных швах

• ≈5900 м/сскорость продольной ультразвуковой волны в стали
• 45–70°обычные углы ввода луча при контроле сварных швов
• ≈11 000теплообменных трубок в парогенераторе ВВЭР-1000
• ≈0,0005 %доля гелия в атмосферном воздухе

Зачем нужен неразрушающий контроль

Механические испытания говорят о металле в целом: из пробы вырезают образцы, растягивают их, ломают на копре. Но испытанный образец — уже не деталь, и по нему нельзя судить о каждом сантиметре шва. Чтобы проверить само изделие и сохранить его, применяют неразрушающий контроль (НК) — методы, которые обнаруживают нарушения сплошности металла с помощью света, ультразвука, излучения, магнитного поля, вихревых токов, проникающих жидкостей и газов.

Для контроля важнее не происхождение дефектов, а их форма и расположение: от них зависит, какой метод их увидит.

• Плоскиетрещины, несплавления, непровары. Самые опасные: от их острых краёв может пойти разрушение.
• Объёмныепоры и шлаковые включения. Они менее опасны, но говорят о нарушениях технологии.
• Поверхностныеподрезы, выходящие на поверхность трещины и поры, дефекты формы шва.
• В основном металлерасслоения листового проката, неметаллические включения, в крупных поковках — флокены, внутренние трещины от водорода.

Откуда берутся дефекты сварки и как их предупреждают, рассказано в статье «Сварка в атомном машиностроении».

Поверхность: визуальный, капиллярный и магнитопорошковый контроль

Визуальный и измерительный контроль (ВИК) выполняют всегда и первым. С лупой, линейками, штангенциркулем, щупами и шаблонами сварщика контролёр проверяет ширину и выпуклость шва, катеты, смещение кромок, ищет подрезы, наплывы, брызги, видимые трещины и поры. Недоступные внутренние поверхности осматривают эндоскопом.

ВИК — не формальность: явный дефект дешевле исправить сразу, чем искать прибором, а неровный шов, брызги и окалина мешают другим методам. Поэтому визуально проверяют и металл при входном контроле, и разделку кромок, сборку под сварку, корень шва, выборки под исправление дефектов.

Капиллярный контроль

Капиллярный контроль (ПВК) выявляет несплошности, выходящие на поверхность. Очищенную и обезжиренную поверхность покрывают пенетрантом — жидкостью с ярким красителем, которую капиллярные силы затягивают даже в очень узкую трещину. Через заданное время излишки удаляют и наносят тонкий белый слой проявителя: он вытягивает пенетрант из полости, и над трещиной проступает красная линия, заметно шире самой трещины. В люминесцентном варианте пенетрант светится в ультрафиолете.

Капиллярный контроль: как проявляют трещину

1. Очисткаповерхность очищают и обезжиривают
2. Пенетрантжидкость с ярким красителем затягивается даже в очень узкую трещину
3. Удаление излишковчерез заданное время лишний пенетрант убирают
4. Проявительтонкий белый слой вытягивает пенетрант из полости
5. Красная линияпроступает над трещиной и заметно шире её самой

Метод работает на любом непористом металле и для швов и наплавок из аустенитной стали служит основным способом искать поверхностные трещины. Дефектоскопические материалы для таких сталей берут с ограниченным содержанием хлора, фтора и серы, а их остатки после контроля удаляют. Ограничение заложено в самом принципе: трещину, забитую грязью и оксидами или «замазанную» механической обработкой, пенетрант не найдёт, а на шероховатой поверхности краска задерживается и создаёт фон.

Магнитопорошковый контроль

Магнитопорошковый контроль (МПК) основан на том, что намагниченная деталь сама выдаёт трещину. Магнитный поток, встретив трещину поперёк пути, частично выходит наружу и огибает её — над дефектом возникает поле рассеяния. Магнитный порошок, сухой или в суспензии, собирается над трещиной в чёткий валик.

МПК находит трещины на поверхности и неглубоко под ней, даже нераскрытые. Лучше всего видны дефекты поперёк магнитного потока, поэтому деталь намагничивают в двух направлениях, а после контроля размагничивают: остаточная намагниченность притягивает стружку и отклоняет сварочную дугу. Метод применим только к ферромагнитным сталям — углеродистым, низколегированным, теплоустойчивым; на практически немагнитной аустенитной стали, её швах и наплавках МПК не применяют.

Ультразвуковой контроль

Ультразвуковой контроль (УЗК) — главный способ заглянуть в толщу металла. Пьезоэлектрический преобразователь посылает в металл короткий импульс частотой в единицы мегагерц и принимает отражения — так работает эхо-импульсный метод. Волна отражается от противоположной поверхности детали и от несплошностей внутри неё; по времени прихода эха дефектоскоп определяет координаты отражателя, по амплитуде судят о его размере.

Между преобразователем и деталью наносят контактную жидкость — гель, масло или воду: тонкая прослойка воздуха почти не пропускает ультразвук. Чувствительность настраивают по образцам с искусственными отражателями — отверстиями и пазами известного размера, — и найденную несплошность характеризуют эквивалентной площадью: площадью отражателя, дающего такое же эхо.

На том же принципе основана толщинометрия: продольная волна идёт в стали со скоростью около 5900 м/с, и прибор по времени пробега до донной поверхности и обратно вычисляет толщину стенки. Так проверяют трубы, гибы и стенки сосудов с одной стороны.

Как прозвучивают сварной шов

Лист и поковку контролируют прямым преобразователем, посылающим волну перпендикулярно поверхности: так хорошо видны расслоения и включения, лежащие параллельно ей. Со швом это не проходит — мешает его выпуклость, а опасные плоские дефекты, несплавления по кромке и трещины, расположены под углом. Поэтому шов проверяют наклонным преобразователем: он вводит поперечную волну под углом, обычно от 45 до 70°, и его ведут зигзагом по околошовной зоне, прозвучивая сечение шва прямым и однократно отражённым лучом.

Прямой и наклонный ультразвуковой преобразователь

Сильные стороны УЗК — уверенное обнаружение плоских дефектов, большие толщины, односторонний доступ, отсутствие излучения. Слабая — при ручном контроле многое зависит от оператора: эхо видно, только пока преобразователь стоит над дефектом. Поэтому всё шире применяют дефектоскопы с фазированными решётками, которые строят изображение сечения шва и сохраняют результаты.

Аустенитные швы — трудный случай

Металл аустенитного шва кристаллизуется крупными столбчатыми зёрнами, вытянутыми по направлению отвода тепла, и становится анизотропным: скорость звука в нём зависит от направления. Луч искривляется и рассеивается на границах зёрен, полезный сигнал слабеет, а на экране появляются структурный шум и ложные сигналы.

Помогают пониженная частота, преобразователи продольных волн, раздельно-совмещённые преобразователи с отдельными излучателем и приёмником и настроечные образцы, сваренные по той же технологии, что и шов. Где этого мало, ультразвук дополняют радиографией. Подробнее об аустенитных сталях — в статье «Материалы атомной отрасли».

Радиографический контроль

Радиографический контроль (РК) — это снимок изделия в проникающем излучении. Чем толще слой металла, тем сильнее он ослабляет излучение. Где внутри пора, шлак или непровар, металла на пути луча меньше, и на плёнке это место темнее. Вольфрамовое включение от электрода аргонодуговой сварки, наоборот, плотнее стали и выглядит светлым пятном.

Источники — рентгеновские аппараты и гамма-дефектоскопы. Рентгеновский аппарат позволяет подобрать напряжение под толщину и даёт более контрастные снимки, особенно на тонких стенках, но ему нужно электропитание. Гамма-дефектоскоп с иридием-192, селеном-75 или кобальтом-60 компактен и работает без электричества; как он устроен, рассказано в статье «Изотопы в медицине и промышленности». Для очень толстых стенок применяют ускорители электронов.

Источники излучения для радиографии

Для очень толстых стенок применяют ускорители электронов.

Изображение получают на плёнке или цифровыми детекторами — запоминающими пластинами, которые считывает сканер, и плоскими панелями. Чёткость снимка подтверждает эталон чувствительности — набор проволок разного диаметра или пластина с канавками разной глубины, которые кладут на изделие со стороны источника: на снимке должен быть виден заданный элемент эталона.

Главное достоинство радиографии — документ: снимок с номером шва и участка хранят вместе с документацией на изделие. Метод хорошо показывает поры и шлак и не боится крупного зерна аустенитных швов. Зато трещину он уверенно видит, лишь когда луч идёт примерно вдоль её плоскости. Нужен доступ с двух сторон — для источника и детектора, а работа с излучением требует ограждённой зоны или защитной камеры и дозиметрического контроля.

Вихретоковый контроль и течеискание

При вихретоковом контроле (ВТК) катушка с переменным током наводит в металле вихревые токи, а их поле действует обратно на катушку. Трещина, коррозионная язва или утонение стенки меняют путь токов, и прибор регистрирует изменение сигнала. Контакт и контактная жидкость не нужны, контроль быстрый, легко автоматизируется и работает на любом электропроводном металле, включая аустенитную сталь.

Вихревые токи сосредоточены у поверхности, и чем выше частота, тем тоньше этот слой. Поэтому ВТК видит в основном поверхностные и приповерхностные дефекты — зато в тонкостенной трубке всю стенку. Главная область его применения — трубки теплообменников и парогенераторов; в парогенераторе ВВЭР-1000 их около 11 тысяч. Трубку проверяют изнутри зондом, который протягивают по всей её длине. Сигнал зависит от многих факторов — электропроводности, зазора, геометрии, мест опор, — и его расшифровка требует опыта и настроечных образцов из таких же трубок с искусственными дефектами.

Контроль герметичности

Для части изделий важна плотность: через сварные швы, соединения трубок с трубной доской, затворы арматуры и сильфоны не должна просачиваться среда. Это проверяет течеискание — контроль герметичности. Простейшие способы — мыльная пена на швах под давлением воздуха, погружение в воду, наблюдение за падением давления; самый чувствительный — масс-спектрометрический метод с гелием.

Атомы гелия малы и проходят через самые узкие неплотности, газ инертен и безвреден, а в воздухе его всего около 0,0005 %, так что утечку легко отличить от фона. Изделие откачивают, подключив к течеискателю, и обдувают снаружи гелием — или заполняют гелием под давлением и обходят снаружи щупом. Течеискатель выделяет из пробы газа именно гелий и по его потоку оценивает величину утечки.

Как сочетают методы

Ни один метод не видит всего, поэтому их сочетают так, чтобы слабые места одного закрывал другой.

Для стыкового шва трубопровода типична такая последовательность: ВИК, затем капиллярный контроль для аустенитной стали или магнитопорошковый для перлитной, затем ультразвуковой или радиографический, а для самых ответственных соединений — оба. Поковку после предварительной обработки прозвучивают по всему объёму и проверяют её поверхность, лист — на расслоения. Если предусмотрена термообработка, окончательный контроль выполняют после неё, а исправленный участок проверяют заново.

Четыре основных метода. Ультразвук находит внутренние дефекты по отражённому сигналу, радиография — по тени на снимке. Капиллярный контроль проявляет поверхностные трещины, магнитопорошковый — поверхностные и подповерхностные дефекты в магнитных сталях.

Кто и по каким правилам контролирует

Для оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок требования к контролю установлены федеральными нормами и правилами НП-105-18 «Правила контроля металла оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок при изготовлении и монтаже». Они определяют, какими методами и в каком объёме проверять основной металл, сварные соединения и наплавки и какие несплошности допустимы. Методы и объём контроля сварных соединений устанавливает конструкторская организация с учётом их категории, а категория зависит от группы оборудования, которую определяет класс безопасности, от рабочего давления и условий эксплуатации; о классах и приёмке — в статье «Оборудование для АЭС: нормы и приёмка».

Из норм и конструкторской документации складывается рабочий комплект:

• методики контроляподготовка поверхности, аппаратура и настройки, схемы сканирования, запись результатов;
• нормы оценки качествакакие несплошности допустимы по типу, размерам, количеству и расположению;
• технологические карты контроля изделия — какие зоны, какими методами, в каком объёме и на каком этапе проверять.

Контроль выполняют специалисты, аттестованные по конкретному методу. Уровней квалификации, как правило, три: специалист I уровня проводит контроль по технологической карте под руководством более опытного коллеги, II уровня — настраивает аппаратуру, выполняет контроль, оценивает результат по нормам и подписывает заключение, III уровня — разрабатывает методики, руководит работами и разбирает спорные случаи. Для оборудования АЭС порядок подготовки и допуска персонала к контролю установлен ГОСТ Р 50.05.11-2018.

Дефектоскопы, толщиномеры, преобразователи и стандартные образцы поверяют или калибруют, дефектоскопические материалы проверяют на контрольных образцах. По итогам оформляют заключение: что проверено, по какой методике и какой аппаратурой, что найдено, соответствует ли это нормам, кто проводил контроль. Заключения, схемы и снимки входят в комплект документов на изделие, а для оборудования под давлением — в материалы к его паспорту. Недопустимый дефект удаляют, участок исправляют по утверждённой технологии и проверяют снова.

Контроль не делает металл лучше — он показывает, каким металл получился. Качество закладывают материалами и технологией, а неразрушающий контроль подтверждает его и ловит сбои, пока изделие ещё на заводе, а не на станции.

Термины

• НесплошностьНарушение сплошности металла — трещина, пора, включение, непровар; дефектом считается, если выходит за нормы оценки качества.
• ПенетрантЖидкость с красителем, которая при капиллярном контроле проникает в выходящие на поверхность несплошности.
• Поле рассеянияМагнитное поле, выходящее из намагниченной детали над трещиной; на нём основан магнитопорошковый контроль.
• Эхо-импульсный методМетод ультразвукового контроля, при котором несплошность находят по отражённому от неё импульсу: по времени прихода эха судят о глубине, по амплитуде — о размере.
• Наклонный преобразовательУльтразвуковой преобразователь, вводящий волну в металл под углом к поверхности; основной инструмент контроля сварных швов.
• Эталон чувствительностиНабор проволок или пластина с канавками, которые просвечивают вместе с изделием, чтобы подтвердить качество радиографического снимка.
• ТечеисканиеКонтроль герметичности — поиск сквозных неплотностей, например с помощью гелия и масс-спектрометрического течеискателя.
• Уровень квалификацииСтупень аттестации специалиста НК: I уровень выполняет контроль по инструкции, II — проводит его и оценивает результаты, III — разрабатывает методики и руководит работами.

Частые вопросы

Чем несплошность отличается от дефекта?

Несплошность — любое нарушение сплошности металла: пора, включение, трещина. Дефектом её считают, когда она выходит за нормы оценки качества по типу, размерам, количеству или расположению.

Какой метод неразрушающего контроля выполняют первым?

Визуальный и измерительный. Он выявляет видимые дефекты и отклонения размеров и показывает, готова ли поверхность к другим методам, поэтому его проводят до них.

Почему магнитопорошковый контроль не применяют для нержавеющей стали?

Аустенитная нержавеющая сталь практически немагнитна, и над трещиной в ней не возникает поля рассеяния, которое собирает порошок. Поверхность таких сталей и швов проверяют капиллярным методом.

Что лучше — ультразвуковой или радиографический контроль?

Методы дополняют друг друга. Ультразвук уверенно находит плоские дефекты — трещины и несплавления — при доступе с одной стороны, а радиография лучше показывает поры и шлак и оставляет снимок как документ, но может пропустить трещину, лежащую поперёк луча.

Зачем при контроле герметичности используют гелий?

Атомы гелия малы и проходят через самые узкие неплотности, газ инертен и безвреден, а в воздухе его очень мало. Поэтому масс-спектрометрический течеискатель уверенно отличает гелий, прошедший через течь, от фона.