Ультразвуковой контроль сварных швов (UT)

Ультразвуковой контроль (UT) — основной метод неразрушающего контроля внутренних дефектов сварных соединений на металле толщиной свыше 6–8 мм. УЗК позволяет обнаруживать трещины, непровары, шлаковые включения и поры в объёме шва без разрушения изделия. По сравнению с радиографией УЗК безопаснее (нет ионизирующего излучения), мобильнее и дешевле в эксплуатации. В материале — принцип метода, оборудование, подготовка зоны контроля, схемы прозвучивания, оценка дефектов и оформление результатов. Регламентируется СТБ EN ISO 17640, СТБ EN ISO 11666, ГОСТ Р ИСО 17640.

Принцип ультразвукового контроля

УЗК основан на отражении ультразвуковых волн от несплошностей в металле. Преобразователь (искатель) генерирует короткий импульс упругих колебаний с частотой 1–10 МГц, передающийся через контактную жидкость в металл. Волна распространяется в металле, частично отражается от противоположной поверхности (донный сигнал) и от любых неоднородностей внутри металла (дефекты). Отражённые волны улавливаются тем же преобразователем (эхо-метод) и преобразуются в электрический сигнал, отображаемый на экране дефектоскопа.

По времени между моментом излучения и приёма отражённого сигнала определяется расстояние до дефекта. По амплитуде отражённого сигнала — характеристика дефекта (эквивалентный размер). Совокупность сигналов от множества точек на поверхности контроля позволяет построить карту дефектов в объёме шва.

Скорость распространения ультразвука в стали — около 5 900 м/с для продольных волн, 3 230 м/с для поперечных. Эти значения позволяют по времени прохождения вычислять глубину залегания дефекта с точностью до миллиметра.

Оборудование для УЗК

Комплект для УЗК включает дефектоскоп, набор преобразователей, эталоны (стандартные образцы), контактную жидкость, измерительные инструменты.

Дефектоскопы — портативные приборы с осциллографическим экраном или жидкокристаллическим дисплеем. Современные модели имеют функции цифровой записи сигналов, автоматического измерения координат дефекта, документирования результатов. Различают дефектоскопы общего назначения и специализированные (для тонкого металла, для трубопроводов, фазированные решётки).

Преобразователи (искатели) различаются по углу ввода волны, по частоте, по типу пьезоэлемента:

• Прямые преобразователи (0°) — ввод продольной волны перпендикулярно поверхности. Применяются для контроля основного металла на расслоения.
• Наклонные преобразователи (40°, 45°, 60°, 70°) — ввод поперечной волны под углом. Основной тип для контроля сварных швов.
• Раздельно-совмещённые — два пьезоэлемента (излучатель и приёмник) в одном корпусе под небольшим углом. Применяются для контроля тонкого металла и приповерхностной зоны.
• Фазированные решётки — массив из 16–128 элементов с электронным управлением направлением луча. Современная технология для сложных геометрий.

Эталоны (стандартные образцы) — металлические блоки с искусственными отражателями известных размеров. Применяются для настройки чувствительности дефектоскопа и проверки исправности системы перед контролем и после него. Распространённые типы: СО-1, СО-2, СО-3 по ГОСТ 21397; международные K1, K2 по СТБ EN ISO 2400.

Контактная жидкость — масло, глицерин, специальные гели — обеспечивает акустический контакт между преобразователем и поверхностью металла. Без жидкости ультразвук не передаётся через воздушный зазор.

Подготовка зоны контроля

Зона перемещения преобразователя — поверхность металла рядом со швом — должна обеспечивать стабильный акустический контакт. Требования к подготовке:

• Поверхность очищена от шлака, брызг, окалины, краски, ржавчины в полосе шириной не менее 1,5–2 пролёта прозвучивания с каждой стороны от шва.
• Шероховатость поверхности — не выше Ra 6,3–12,5 мкм. Грубая поверхность вызывает потери ультразвука и нестабильный контакт.
• Локальные неровности (вмятины, выпуклости) удаляются зачисткой.
• Усиление шва часто не зачищается (если не предусмотрено схемой контроля), но валик не должен мешать перемещению преобразователя в зоне сканирования.
• Контактная жидкость наносится равномерно перед началом сканирования; при длительном контроле дополняется.

Температура поверхности — в пределах рабочего диапазона дефектоскопа (обычно от −10 °C до +50 °C). При экстремальных температурах применяются специальные контактные среды или нагретые/охлаждаемые преобразователи.

Схемы прозвучивания

Сварные соединения контролируются по схемам, разработанным для конкретного типа шва, толщины металла и метода сварки.

Эхо-метод одиночным наклонным преобразователем — основной для контроля стыковых швов. Преобразователь перемещается параллельно шву на расстоянии, обеспечивающем прозвучивание шва прямым и однократно отражённым лучами. Зона перемещения преобразователя — «зона сканирования» — рассчитывается по толщине металла и углу ввода.

Эхо-зеркальный метод (тандем) — два преобразователя, один излучает, второй принимает отражённый сигнал. Применяется для контроля корня шва на стыках труб большого диаметра.

Теневой метод — два преобразователя по разные стороны шва: излучатель и приёмник. Дефект ослабляет проходящий сигнал. Применяется реже эхо-метода, требует доступа с двух сторон.

Дельта-метод — преобразователи в одной плоскости, контроль вертикально ориентированных дефектов. Применяется для дополнительного контроля при сомнениях.

Схема сканирования включает: подбор преобразователя (угол, частота), расчёт зоны сканирования, определение шага перемещения (не более 0,5 ширины пучка), последовательность проходов с разных сторон шва. Утверждённая схема — часть методики контроля.

Настройка и калибровка

Перед началом контроля выполняется настройка дефектоскопа по стандартному образцу:

1. Установка скорости развёртки экрана с привязкой к глубине прозвучивания.
2. Настройка чувствительности по эталонному отражателю (например, цилиндрический канал или зарубка известных размеров).
3. Построение диаграммы амплитуда–расстояние (DAC, ARD) для учёта затухания сигнала с глубиной.
4. Установка браковочных уровней чувствительности по нормативной документации.
5. Проверка отклика по эталонам перед контролем и в течение работы.

Браковочный уровень чувствительности — параметр оценки: сигнал с амплитудой выше браковочного классифицируется как недопустимый дефект, ниже — как допустимый или сигнал записывается для дальнейшего анализа.

Оценка дефектов

При обнаружении сигнала от дефекта определяются его характеристики:

• Координаты — расстояние от точки ввода до дефекта (по поверхности и по глубине).
• Условная протяжённость — длина участка перемещения преобразователя, при котором сигнал превышает оценочный уровень.
• Условная высота — высота участка по глубине, при котором сигнал превышает оценочный уровень.
• Эквивалентная площадь — площадь круглого отражателя, дающего сигнал равной амплитуды. Используется для оценки размера дефекта.
• Характер сигнала — стабильный, переменный, направленный; помогает идентифицировать тип дефекта (трещина, пора, шлаковое включение).

Допустимость дефекта определяется по СТБ EN ISO 11666 в зависимости от уровня приёмки (2, 3 — соответствуют уровням качества B, C по ИСО 5817). Дефекты классифицируются по эквивалентному размеру и условной протяжённости; для каждого класса есть свой норматив допустимости.

Оформление результатов УЗК

Заключение по УЗК содержит:

• Идентификацию объекта контроля: чертёж, номер шва, материал, толщина.
• Объём контроля: длина проконтролированного шва, число точек сканирования.
• Применённое оборудование: дефектоскоп с серийным номером, преобразователи, эталоны, контактная среда.
• Методика контроля со ссылкой на нормативный документ.
• Настройку дефектоскопа: уровни чувствительности, рабочая скорость развёртки.
• Результаты: обнаруженные сигналы с координатами, размерами, оценкой допустимости.
• Заключение о соответствии шва уровню приёмки.
• ФИО, аттестация и подпись контролёра, дата контроля.

Современные цифровые дефектоскопы автоматически документируют параметры контроля и сигналы дефектов в электронный отчёт, что упрощает оформление и обеспечивает прослеживаемость.

Типовые ошибки

1. Контроль без проверки настройки по эталону. Дрейф чувствительности дефектоскопа со временем и температурой может изменить результаты. Проверка по эталону перед началом контроля, каждые 4 часа работы и в конце смены — обязательна.
2. Недостаточная подготовка поверхности. Грубая, ржавая, грязная поверхность нарушает акустический контакт, искажает сигналы. Зачистка металлической щёткой или шлифовкой обязательна.
3. Неправильный выбор угла ввода преобразователя. Для разных толщин и геометрий швов нужны разные углы (40° для тонкого металла, 60–70° для толстого). Применение неподходящего угла снижает обнаруживаемость дефектов.
4. Слишком большой шаг сканирования. Если шаг превышает ширину пучка преобразователя, между точками сканирования возникают «слепые» зоны. Шаг — не более половины ширины пучка.
5. Игнорирование диаграммы амплитуда–расстояние. Без учёта затухания сигнала с глубиной мелкие дефекты в дальней зоне могут быть пропущены.
6. Контроль швов толщиной менее минимально допустимой для метода. При толщине менее 4–6 мм традиционный УЗК неэффективен из-за наложения сигналов. Применяются специальные методы или другие виды контроля (RT).
7. Заключение без подписи аттестованного контролёра. Документ без подписи и квалификации контролёра недействителен для приёмки. Аттестация — обязательна.

Чек-лист приёмки УЗК

• Шов и зона околошовного металла подготовлены: очищены, зачищены до требуемой шероховатости.
• Применяемые дефектоскоп, преобразователи, эталоны имеют действующие свидетельства о поверке.
• Контролёр аттестован по СТБ EN ISO 9712 на УЗК с уровнем не ниже 2 (для самостоятельного заключения).
• Методика контроля разработана и согласована для данной марки стали, толщины, типа шва.
• Дефектоскоп настроен по стандартному образцу; уровни чувствительности соответствуют методике.
• Построена кривая ослабления сигнала с глубиной (DAC или ARD).
• Сканирование выполнено по разработанной схеме с шагом не более полуширины пучка.
• Все обнаруженные сигналы зафиксированы с координатами и характеристиками.
• Сигналы оценены на соответствие уровню приёмки по СТБ EN ISO 11666.
• В сомнительных случаях выполнено сканирование с других направлений (поперечно, под другим углом).
• Заключение с описанием результатов оформлено.
• При обнаружении недопустимых дефектов составлен акт с указанием места и параметров.
• Контроль исправности оборудования в конце работы выполнен; результаты подтверждают стабильность.
• Результаты приобщены к исполнительной документации.

Часто задаваемые вопросы

На какой толщине металла применять УЗК? Стандартный УЗК эффективен на толщинах от 6 мм. Для толщин 4–6 мм применяются специализированные методы (раздельно-совмещённые преобразователи, фазированные решётки). Для металла толщиной до 4 мм УЗК практически не применяется — лучше радиографический контроль или эддитоковый.

Как УЗК отличает трещину от шлакового включения? Трещина даёт стабильный сигнал высокой амплитуды, направленный (зависящий от ракурса), часто с эхо-сигналом от концов. Шлаковое включение — округлый отражатель с менее стабильным сигналом, мало зависящим от направления преобразователя. Опытный контролёр анализирует характер сигнала, протяжённость, переменность при разных направлениях ввода. В сложных случаях применяется дополнительный контроль РК.

Можно ли проводить УЗК сварки нержавеющих сталей? Возможно, но с особенностями. Аустенитные стали имеют крупнозернистую структуру с выраженной анизотропией — рассеяние ультразвука выше, чем в углеродистых сталях. Применяются преобразователи с пониженной частотой, специальные методики. Чувствительность ниже, чем при контроле углеродистых сталей.

Что такое фазированная решётка (PAUT)? Phased Array UT — современная технология с массивом пьезоэлементов и электронным управлением углом ввода и фокусировкой луча. Преимущества: один преобразователь работает в широком диапазоне углов, формируется секторный скан с визуализацией, документирование сигналов автоматическое. Применяется на ответственных конструкциях.

Сколько времени занимает УЗК шва длиной 1 метр? Зависит от толщины металла, схемы сканирования, уровня требований. Типовой контроль стыкового шва толщиной 20 мм с обеих сторон занимает 15–30 минут с включением настройки, сканирования, фиксации сигналов, оформления заключения. Применение фазированных решёток ускоряет процесс в 2–3 раза.

Сокращения и обозначения

UT (Ultrasonic Testing) — ультразвуковой контроль. УЗК — то же на русском. PAUT (Phased Array UT) — УЗК фазированной решёткой. TOFD (Time of Flight Diffraction) — дифракционно-временной метод УЗК. DAC (Distance Amplitude Correction) — диаграмма поправки амплитуды по расстоянию. ARD (Amplitude Reference Distance) — аналогичная диаграмма. СО-1, СО-2, СО-3 — стандартные образцы для УЗК по ГОСТ 21397. K1, K2 — международные стандартные образцы по СТБ EN ISO 2400. СТБ EN ISO 17640 — стандарт УЗК сварных соединений. СТБ EN ISO 11666 — стандарт уровней приёмки УЗК. СТБ EN ISO 9712 — аттестация персонала неразрушающего контроля. ТНПА — технические нормативные правовые акты.

Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.