УЗК качества сварных стыковых соединений ответственных стальных и полиэтиленовых трубопроводов малых диаметров (до 500 мм) с малой толщиной стенки традиционно считался сложной технической задачей. До настоящего времени такие стыки в целом ряде отраслей контролируются только радиографией, а стыковые соединения полиэтиленовых трубопроводов не подвергаются НК.

Между тем трубопроводы указанного типа применяются практически во всех отраслях промышленности, а общее количество стыков труб малых диаметров с малой толщиной стенки исчисляется миллионами штук. Для НК этих стыков наиболее перспективным является УЗК, и поэтому проблему контроля таких сварных стыковых соединений можно рассматривать как самостоятельный раздел теории и практики УЗ-дефектоскопии.

При традиционных технологиях УЗК отражения волн от стенок стальной трубы и неровностей сварного шва обычно создают столь мощные помехи, что на их фоне можно выявлять лишь дефекты значительных размеров, причем, как правило, плоскостные. Например, при контроле по совмещенной схеме сварных стыков толщиной от 4 до 6 мм в трубах поверхностей теплообмена уверенно выявляются лишь непровары, расположенные в корне сварного шва. Часто не выявляются даже сквозные свищи.

Аналогичная ситуация имеет место при попытках выявлять дефекты стыков полиэтиленовых трубопроводов.

Типичный вид экрана дефектоскопа при прозвучивании сварного шва по совмещенной схеме и выявлении вертикально ориентированного плоскостного дефекта представлен на рис. 1а. Отражение УЗ-волн от дефекта или их дифракция на его краях создают сигналы, амплитуда которых соизмерима с помехами реверберационного характера. При этом она значительно ниже амплитуды сигналов, отраженных от неровностей сварного шва. Именно поэтому выявление как объемных, так и плоскостных дефектов в рассматриваемых сварных соединениях не всегда достоверно.

Весьма эффективным способом УЗК таких сварных стыков трубопроводов является способ, использующий так называемую «хордовую» схему прозвучивания сварного стыка с раздельными функциями излучения и приема ультразвуковых волн. Основные параметры схемы прозвучивания (углы ввода-приема, угол разворота преобразователей и т. п.) выбираются таким образом, чтобы основная энергия излучаемого пучка концентрировалась в рабочем сечении сварного стыка (рис. 16). Благодаря этому обеспечивается уверенное выявление различных дефектов в любой зоне стыка в пределах толщины соединяемых труб.

В пределах наплавленного металла (для стыков, выполненных сваркой плавлением) или вблизи зоны сплавления (для стыков, выполненных контактной сваркой) УЗ-волны распространяются параллельно поверхностям труб, а плоскость падения (отражения) на дефект перпендикулярна отражающей поверхности плоскостных дефектов. Проекции лучей, падающих на дефект (и отражающихся от него), на осевую плоскость сварного стыка лежат на хорде сечения трубы - отсюда происходит название схемы прозвучивания.

Практическая реализация «хордовой» схемы прозвучивания затруднена рядом эффектов, связанных с возбуждением вдоль контролируемой поверхности мощных поверхностных волн. Таким образом, избавляясь от помех реверберационного характера и сигналов, отражающихся от неровностей поверхности стыка (валиков или грата), «хордовая» схема, вообще говоря, может привести к появлению акустических помех другой природы, которые существенно ограничивали ее применение - контролировались трубы диаметром до 100 мм.

Предложеные в начале 90-х гг. в АО ВНИИСТ и НПП «Политест» новая конструкция «хордовых» преобразователей с эластичным протектором и технология их изготовления позволили распространить применение «хордовой» схемы на контроль сварных стыков стальных труб различных классов (в том числе - аустенитных) диаметром от 10 до 530 мм с толщиной стенки от 2 до 10 мм.

Данный подход позволил решить и проблему контроля сварных стыков полиэтиленовых трубопроводов, в первую очередь - газопроводного сортамента диаметром от 63 до 315 мм с толщиной стенки от 6 до 25 мм.

Акустические свойства стыков полиэтиленовых труб ранее подробно не изучались. Поэтому мы полагаем целесообразным представить в табл. 1 и на рис. 2 измеренные нами значения акустических характеристик полиэтилена, используемого при изготовлении таких труб.

Из табл. 1 видно, что коэффициент затухания волн в данном материале даже для продольных волн значительно превышает значения, характерные для стали. Использование же сдвиговых волн для контроля практически невозможно. Кроме того видно, что различия в акустических свойствах полиэтиленов разных марок могут достигать 10 %. Это означает, что при изменении марки полиэтилена параметры контроля могут изменяться, что приводит к необходимости изготавливать специализированные ПЭП для контроля трубопроводов из полиэтилена различных марок.

Исследования также показали, что контроль стыков полиэтиленовых труб целесообразно проводить на частотах, не превышающих 2,5 МГц (рис. 2).

Накопленный опыт использования хордовых преобразователей показал, что с их помощью удается обеспечивать отношение сигнал/помеха не менее чем +20 и +12 дБ для стальных и полиэтиленовых труб соответственно. Под термином «сигнал» здесь понимается амплитуда сигнала, отраженного от контрольного отражателя нормативного размера в СОП, а под термином «помеха» - амплитуда шумов любой природы в зоне расположения этого сигнала или вблизи этой зоны. В качестве контрольного отражателя при работе с «хордовыми» преобразователями обычно используется отверстие с плоским дном, ось которого параллельна образующей трубы.

Нормативные диаметры контрольных отражателей (отверстий с плоским дном), действующие в настоящее время в некоторых отраслях, приведены в табл. 2.

В настоящее время в промышленности работает несколько тысяч ПЭП «хордового» типа с эластичным протектором. С их помощью проводится эффективный контроль стыковых сварных соединений трубопроводов на тепловых и атомных электростанциях, газо- и нефтепроводах, на нефтеперерабатывающих предприятиях.

На рис. 3 показаны хордовые раздельно-совмещенные преобразователи с эластичным протектором, предназначенные для контроля сварных стыков полиэтиленовых труб различных диаметров.

При исследовании различных технологических решений по контролю сварных стыковых соединений трубопроводов с применением хордовых ПЭП учитывались следующие обстоятельства:

• отношение сигнал/шум, по крайней мере, для стальных труб мало зависит от глубины залегания дефекта в стыке;

• для сварных стыков рассматриваемых типоразмеров глубина залегания дефекта, как правило, не имеет большого значения.

Это позволило предложить следующую идеологию УЗК сварных стыков стальных труб малых диаметров:

• выявление дефектов только в рабочем сечении сварного шва;

• выявление дефектов сварного шва без определения глубины их залегания (напомним, что речь идет о стыках толщиной в несколько миллиметров);

• проведение контроля сварного шва на двух уровнях чувствительности - поисковой и браковочной;

• использование на браковочной чувствительности альтернативного принципа контроля: «в данной зоне нет дефекта, недопустимого по амплитудному признаку» или «в данной зоне выявлен дефект, недопустимый по амплитудному признаку»;

• использование на поисковой чувствительности принципа: «длина (условная протяженность) выявленного дефекта не больше максимально допустимого значения» или «длина (условная протяженность) выявленного дефекта превышает максимально допустимое значение», причем амплитудный признак (превышение поискового уровня чувствительности) является лишь основанием для измерения условной протяженности дефекта.

Эти решения прошли более чем десятилетнюю апробацию в различных отраслях промышленности при контроле сварных стыков стальных трубопроводов. Опыт контроля стыковых соединений полиэтиленовых трубопроводов, приобретенный в 1999 и 2000 годах, доказал их применимость с некоторыми уточнениями и в этом случае.

Важно отметить, что контроль сварных стыковых соединений трубопроводов с применением «хордовых» ПЭП с эластичным протектором можно реализовать с использованием любого отечественного или импортного УЗ-дефектоскопа общего назначения. Однако описанные выше технологические принципы могут быть легко реализованы с помощью специально разработанных нами портативных дефектоскопов. Но этот вопрос требует специального рассмотрения в другой статье.