Сварка является одним из важнейших технологических процессов в промышленности. Качество сварных соединений напрямую влияет на надежность и безопасность конструкций. Какие инновационные методы контроля помогут минимизировать риски? Узнайте в этой статье.
Традиционные методы контроля качества сварных соединений
На протяжении десятилетий для контроля качества сварных соединений использовались следующие основные методы:
- Визуальный и измерительный контроль
- Механические испытания
- Ультразвуковая дефектоскопия
- Радиография
- Капиллярные методы
Визуальный и измерительный контроль является самым простым и доступным способом. Он позволяет выявить видимые невооруженным глазом дефекты: трещины, подрезы, непровары, а также проверить геометрические параметры сварного шва. Однако этот метод не может обнаружить внутренние дефекты.
Механические испытания заключаются в создании образцов со сварными швами и последующих испытаниях на разрыв или изгиб для определения прочности. Также может определяться твердость и ударная вязкость.
Ультразвуковой контроль основан на анализе отражения ультразвуковых волн от дефектов внутри сварного соединения. Однако этот метод требует дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала.
Радиографический контроль с использованием рентгеновского или гамма-излучения позволяет получить изображение внутренней структуры сварного шва. Но это достаточно опасный метод, требующий специальных мер безопасности.
Капиллярные методы основаны на способности жидкостей проникать в микроскопические дефекты. Наиболее распространен керосиновый метод, когда одна сторона сварного шва покрывается керосином, а с обратной стороны наносится индикатор. Протечки через дефекты проявляются в виде пятен.
Неразрушающий контроль - приоритетное направление
В последние годы все большее внимание уделяется методам неразрушающего контроля качества сварных соединений. Это связано с рядом преимуществ:
- Отсутствие повреждения объекта контроля
- Возможность использования в условиях действующего производства
- Высокая производительность
- Обеспечение безопасности персонала
К новым перспективным технологиям неразрушающего контроля относятся:
- Лазерные технологии
- Тепловизионный контроль
- Акустическая эмиссия
- Рентгеновская томография
- Роботизированные системы контроля
Эти методы позволяют с высокой точностью обнаруживать различные дефекты сварных соединений, в том числе скрытые внутренние. Кроме того, часть технологий дает возможность оценивать качество непосредственно в процессе сварки.
Лазерные технологии контроля сварных швов
Одним из перспективных направлений является применение лазерных технологий для контроля качества сварных соединений.
Метод основан на сканировании поверхности сварного шва узким лазерным лучом и регистрации отраженного излучения. При попадании на дефект происходит рассеяние лазерного луча, что фиксируется фотоприемником.
По сравнению с традиционными методами лазерный контроль имеет следующие преимущества:
- Высокая чувствительность - обнаруживаются дефекты от десятых долей миллиметра
- Высокая производительность - скорость сканирования до 10 м/с
- Возможность автоматизации процесса
- Бесконтактный метод, не требующий подготовки поверхности
- Широкий охват площади контроля
Для лазерного контроля применяются специальные оптико-электронные системы и сканеры. Например, сканер лазерный линейный СЛЛ-150 позволяет контролировать швы шириной до 20 мм на расстоянии до 400 мм с точностью около 0,1 мм.
Лазерные технологии уже используются на многих предприятиях, в частности атомной и ракетно-космической отрасли. Например, на Балтийском заводе внедрена установка лазерного контроля сварных швов ЛАКК-М для диагностики корпусных конструкций подводных лодок.
Тепловизионный контроль
Еще одним перспективным направлением является тепловизионный (инфракрасный) контроль качества сварных соединений.
Метод основан на регистрации собственного инфракрасного излучения объекта и отображении распределения температуры на его поверхности с помощью тепловизора.
При наличии дефектов в сварном шве наблюдается нарушение температурного поля из-за разницы теплопроводности. Это позволяет выявить различные нарушения:
- Непровары и несплавления
- Поры и трещины
- Шлаковые включения
- Подрезы
Проведение теплового контроля не требует специальной подготовки поверхности и может выполняться на значительном расстоянии от объекта. Современные тепловизионные комплексы обеспечивают высокое пространственное разрешение и позволяют регистрировать дефекты менее 1 мм.
Одним из примеров использования теплового неразрушающего контроля является система ИТК-СПЕКТР, разработанная в Институте проблем машиностроения РАН и внедренная на ряде предприятий атомной отрасли.
В дальнейшем планируется создание полностью автоматизированных роботизированных комплексов тепловой диагностики сварных соединений.
Акустическая эмиссия для мониторинга сварки
Перспективным методом контроля качества сварных соединений является акустическая эмиссия. Она основана на регистрации упругих волн, возникающих при пластической деформации металла в процессе сварки.
Источниками акустической эмиссии являются:
- Образование и развитие трещин
- Пластическая деформация при кристаллизации металла шва
- Фазовые превращения в металле
Акустические сигналы улавливаются с помощью специальных датчиков, усиливаются и подвергаются анализу. По характеристикам сигналов можно судить о наличии и развитии дефектов в режиме реального времени.
Основные преимущества этого метода:
- Контроль без разрушения объекта
- Возможность непрерывного мониторинга процесса сварки
- Выявление скрытых дефектов
- Оценка уровня остаточных напряжений
В России разработаны отечественные приборы и программные комплексы для акустико-эмиссионного контроля, такие как АЭСД-3М, Elins-AACSYS, USBox-Analyzer.
Рентгеновская компьютерная томография
Современным высокотехнологичным методом неразрушающего контроля является рентгеновская компьютерная томография (РКТ) сварных соединений.
Метод основан на рентгеновском сканировании объекта под различными углами и последующей компьютерной обработке данных. В результате получается 3D модель внутренней структуры сварного шва.
Преимущества РКТ:
- Высокая чувствительность - выявляются дефекты от 10 мкм
- Возможность анализа геометрии и внутренних неоднородностей шва
- Неповреждающий контроль объектов сложной формы
- Автоматизация процесса сканирования и обработки данных
Созданы мобильные рентгеновские томографы для контроля крупногабаритных изделий. Например, РКТ-150М позволяет сканировать объекты до 5 метров.
РКТ широко используется на предприятиях атомной отрасли для контроля ответственных сварных соединений.
Роботизированные системы контроля
Перспективным направлением является создание роботизированных систем неразрушающего контроля сварных соединений.
Такие системы оснащаются набором датчиков для различных видов контроля, а также системами технического зрения на основе нейросетей для автоматического анализа дефектов.
Основные преимущества роботизации контроля сварки:
- Повышение производительности
- Снижение трудоемкости процесса
- Уменьшение влияния человеческого фактора
- Возможность интеграции в автоматизированные системы
Российская компания «Роботек» разработала мобильного робота-дефектоскописта, способного автоматически обнаруживать дефекты в сварных швах с помощью ультразвукового и вихретокового контроля.
Цифровые двойники для моделирования процессов сварки
Перспективным направлением в контроле качества сварных соединений являются технологии цифровых двойников.
Цифровой двойник представляет собой виртуальную 3D-модель свариваемых деталей и процесса сварки. На его основе можно моделировать:
- Напряженно-деформированное состояние в зоне сварки
- Температурные поля и скорости охлаждения
- Возникновение и развитие дефектов
- Свойства готового сварного соединения
Цифровой двойник позволяет оптимизировать параметры режима сварки, минимизировать риски возникновения дефектов, повысить качество сварных соединений.
Примеры использования цифровых двойников в России:
- ЦНИИ КМ «Прометей» - проектирование технологий сварки для атомной отрасли
- НИЦ «Курчатовский институт» - моделирование сварки в аддитивном производстве
- ПАО «ТМК» - оптимизация параметров сварки труб большого диаметра
Цифровизация производственных процессов позволяет повысить качество и снизить затраты на контроль сварных соединений.
Перспективные методы неразрушающего контроля
В мире ведутся активные исследования в области создания новых методов неразрушающего контроля качества сварных соединений.
К перспективным технологиям можно отнести:
- Магнитный метод с использованием магнитных наночастиц
- Терагерцовая дефектоскопия на основе терагерцовых волн
- Фотоакустическая дефектоскопия
- Рентгеновская голография
Эти методы отличаются повышенной чувствительностью к микродефектам и возможностью контроля композитных материалов. Однако требуется доработка технологий и решение вопросов практического применения.
Перспективным направлением также является создание многофункциональных комбинированных систем неразрушающего контроля на основе сочетания различных физических принципов.
Нормативно-техническое регулирование контроля качества сварных соединений
Вопросы контроля качества сварных соединений регулируются комплексом отечественных и международных стандартов.
Основные документы:
- ГОСТ Р ИСО 17635-2016 Контроль неразрушающий сварных соединений
- ГОСТ Р 55724-2013 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые
- ASTM E3150 - 18 Стандартная практика для терагерцового контроля сварных швов
Также действуют требования промышленной безопасности, стандарты на методы и средства измерений, правила аттестации персонала.
Необходима гармонизация российских и международных стандартов, разработка нормативной базы для новых технологий контроля.
Подготовка специалистов по контролю качества сварки
Эффективное применение современных методов контроля качества сварных соединений требует наличия высококвалифицированных кадров.
В России подготовка специалистов осуществляется:
- В системе среднего профессионального образования по специальности "Контроль неразрушающих методов"
- По программам дополнительного образования и повышения квалификации
- В вузах при подготовке инженеров-дефектоскопистов
Также ведется международное сотрудничество, стажировки специалистов в ведущих зарубежных центрах.
Крупнейшими российскими центрами являются Институт неразрушающего контроля Томского политехнического университета, учебный центр АО "НИИИН МНПО "Спектр", учебный центр ООО "Контроль".
Совершенствование системы подготовки и повышения квалификации кадров имеет большое значение для развития технологий неразрушающего контроля качества сварных соединений.
Контроль качества сварки на предприятиях атомной отрасли
Предприятия атомной отрасли предъявляют повышенные требования к надежности и безопасности сварных соединений.
Для контроля качества сварки применяются комплексные системы, включающие:
- Радиографический контроль
- Ультразвуковую дефектоскопию
- Капиллярные и магнитные методы
- Металлографический анализ
Используются передовые разработки: роботизированные комплексы, цифровые двойники, метод акустической эмиссии.
Большое внимание уделяется подготовке высококвалифицированных специалистов и разработке новых методов контроля с учетом мирового опыта.
Контроль качества сварных соединений на предприятиях нефтегазового комплекса
Обеспечение промышленной безопасности трубопроводов имеет большое значение в нефтегазовой отрасли.
Для диагностики протяженных объектов применяются:
- Внутритрубная дефектоскопия
- Передвижные лаборатории неразрушающего контроля
- Воздушные и беспилотные комплексы
Активно внедряются средства автоматизации, робототехника. Перспективным направлением является применение технологий цифровых двойников трубопроводов.
Мировой рынок услуг неразрушающего контроля сварки
По оценкам аналитиков, мировой рынок услуг в сфере неразрушающего контроля достигнет к 2025 году около 4 млрд долларов с годовым темпом роста 7%.
Крупнейшие мировые компании-операторы:
- Applus+
- MISTRAS Group
- TÜV Rheinland
- Bureau Veritas
Лидерство удерживают США и страны Европы. Однако растет доля Азиатско-Тихоокеанского региона.
Для российских компаний это открывает перспективы выхода на мировой рынок с новыми технологиями.
Внедрение новых технологий контроля на предприятиях
Эффективное внедрение новых методов неразрушающего контроля сварных соединений на предприятиях требует комплексного подхода.
Необходимо учитывать следующие аспекты:
- Оценка потребностей производства и постановка задач
- Выбор оптимальных технических решений
- Закупка оборудования и программного обеспечения
- Обучение персонала работе на новом оборудовании
- Разработка и внедрение регламентов контроля
- Интеграция в систему менеджмента качества предприятия
Необходим постоянный анализ эффективности внедренных методов контроля и поиск направлений для дальнейшего совершенствования.
Центры коллективного пользования для малых предприятий
Для небольших предприятий с ограниченными ресурсами актуально создание центров коллективного пользования современным оборудованием для неразрушающего контроля сварки.
Преимущества таких центров:
- Снижение затрат для отдельных предприятий
- Возможность использования дорогостоящего высокотехнологичного оборудования
- Высококвалифицированный персонал центра
- Гибкие условия предоставления услуг
Центры коллективного пользования могут создаваться при поддержке региональных властей, союзов промышленников, научных организаций.
Применение мобильных комплексов контроля
Мобильные комплексы неразрушающего контроля обеспечивают возможность оперативной диагностики сварных соединений в условиях удаленных производственных площадок.
Преимущества мобильных комплексов:
- Высокая мобильность, возможность быстрой доставки к месту работ
- Автономность, независимость от местной инфраструктуры
- Возможность контроля крупногабаритных конструкций
- Сокращение простоев оборудования при проведении контроля
Мобильные комплексы широко применяются при строительстве трубопроводов, мостов, на морских нефтегазовых объектах.
Международное сотрудничество в сфере контроля сварки
Развитие новых технологий контроля качества сварных соединений требует консолидации усилий инженеров и ученых разных стран.
Важными направлениями международного сотрудничества являются:
- Совместные научные исследования и разработки
- Обмен опытом внедрения передовых технологий
- Стандартизация и унификация методов контроля
- Подготовка высококвалифицированных инженерных кадров
Необходимо развитие международных партнерств компаний, вузов, научных организаций для совершенствования и внедрения инновационных решений в сфере неразрушающего контроля.
