ПЕРСПЕКТИВЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОБЪЕКТОВ КОТЛОНАДЗОРА

д.т.н. Быстрова Н.А., к.т.н. Галкин Д.И., д.т.н. Рябцев С.Л., Чернышев В.В.

История применения неразрушающего контроля качества (НК) на объектах котлонадзора начинается с момента появления в 1843 годув Сенатскомуказе«Устав о промышленности фабричной и заводской»«Правила предосторожности, кои должны быть соблюдены при введении в употребление паровых машин высокого давления». Первым используемым методом НК был визуальный осмотр. Позднее (ок. 1882 года) фабрично-заводской инспекцией были разработаны первые правила по устройству и эксплуатации паровых котлов. В соответствии с этими правилами котлы подвергались один раз в 2 года наружному осмотру и один раз в 6 лет внутреннему осмотру и гидравлическому испытанию. В середине прошлого столетия - после внедрения в промышленность инструментальных методов НК (рентгеновский, ультразвуковой, магнитопорошковый и капиллярный) – появилась возможность обнаружения внутренних и поверхностных (с малым раскрытием, не обнаруживаемых визуально) дефектов сварных соединений. В 60-70 годы XXвека были научно обоснованны критерии оценки качества по результатам НК, которые стали применяться и на объектах котлонадзора. В настоящее время перечисленные методы нашли отражение в ряде межведомственных и отраслевых документов (табл. 1), регламентирующих технологию НК и устанавливающих нормы оценки качества сварных соединений объектов котлонадзора.

Правильное применение указанных методов позволяет выявить такие дефекты сварных соединений как: трещины, пористость, непровары, несплавления, подрезы, дефекты формы сварного соединения и пр., а также дефекты, возникающие в процессе эксплуатации.
Большинство из представленных в табл. 1 документов изданы более 10 лет назад, а некоторые имеют корни еще в советском периоде. Использование современных средств контроля и методик позволило бы сократить временные затраты на проведение НК, уменьшить степень влияния человеческого фактора на результаты контроля, повысить выявляемость дефектов. Перспективной задачей Управления государственного строительного надзора является внедрение в отрасль новыхтехнологий и использование передовыхдостиженийи подходовв проведенииконтроля качества, связанного с безопасной и безаварийной эксплуатацией паровых котлов, сосудов, работающих под давлением, и подъёмных сооружений.Для решения данной задачи требуется выполнение исследовательских работ, которые могли бы стать основой разрабатываемой нормативной документации.
В настоящее время проводятся исследования, направленные на внедрение в отрасль котлонадзора следующихтехнологий неразрушающего контроля:
- ультразвуковая дефектоскопия с использованием фазированных антенных решеток (ФАР);
- цифровая и компьютерная радиография (беспленочные технологии);
- ультразвуковой длинноволновый метод «ведомых» волн для сплошного контроля труднодоступных протяженных участков трубопроводов за одну установку системы контроля;
- радиационный контроль сварных соединений теплообменников типа «труба-трубная доска»;
- тепловой контроль.
Далее приводится краткий обзор перечисленных технологий с указанием их «сильных» и «слабых» мест.
В результате контроля дефектоскопами с ФАР электронным сканированием формируется секторная развертка области сканирования, на которой амплитуда эхо-сигнала от отражателя кодируется цветом (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид дефектоскопа с ФАР (а) и примеры отображения информации в режиме сканирования (б)

Применение дефектоскопов с ФАР позволяет излучать в объект контроля качающийся в плоскости падения ультразвуковой волны ультразвуковой луч, фокусировать его и получать изображения. Применение ФАР в процессе ультразвукового контроля качества сварных соединений позволяет сократить время сканирования за счет замены серии П-образных перемещений преобразователя при сканировании одной операцией, а также дает возможность визуализации несплошностей в сечении сварного шва.
Факторы, сдерживающие внедрение данной технологии в промышленность, следующие:
- трудность в обеспечении преемственности при переходе от традиционного эхо-метода ультразвукового контроля к ФАР, в том числе в части выравнивания чувствительности во всем объеме сканирования;
- отсутствие однозначных подходов при проведении оценки отражательной способности несплошности по цвету ее образа на экране дефектоскопа с ФАР.
В основе цифровой и компьютерной радиографии лежит использование детекторов прямого и непрямого преобразования радиационного изображения в цифровое. На рис. 2 представлены изображения сварного соединения, полученные с использованием цифровой и пленочной (после сканирования) радиографии.

Рис. 2. Изображения сварного соединения, полученные с использованием цифровой (а) и пленочной (б) радиографии

Применение современных детекторов, таких как плоскопанельные детекторы на основе полупроводников (аморфных, кристаллических и монокристаллических) и фосфорные пластины, позволяет:
- исключить из технологии контроля операцию химико-фотографической обработки;
- уменьшить время экспонирования, а значит, и дозовую нагрузку на персонал;
- увеличить динамический диапазон получаемых изображений, т.е. достичь высокого контрастного разрешения участков объекта контроля с различной радиационной толщиной, что актуально при контроле тройников, патрубков и т.п.
Основными проблемами при применении цифровой и компьютерной радиографии являются:
- зависимость разрешающей способности (выявляемости несплошностей) полученного цифрового изображения от параметров экспонирования даже при обеспечении требуемой чувствительности контроля;
- отсутствие единого подхода к практической оценке достигнутой разрешающей способности и ее допустимым значениям.
Ультразвуковой длинноволновый метод «ведомых» волн применяется для контроля труднодоступных участков трубопроводов, труб теплообменников и змеевиков. При осуществлении метода трубопровод, по сути, рассматривается в качестве волновода, в который искусственно при помощи пьезоэлектрических преобразователей с частотой 20-50 кГц вводятся канализируемые волны. Отражение части энергии волн данного типа, связанное с изменением площади поперечного сечения (или акустического сопротивления), регистрируется теми же статически расположенными преобразователями, которые и излучили волну. Задачей оператора является классификация отраженных сигналов, часть из которых может быть вызвана технологическими причинами (отводы, опоры, сварные соединения), а другая – эксплуатационными дефектами, прежде всего, коррозией. Данный метод позволяет проводить контроль всего сечения трубопровода на расстоянии до нескольких десятков метров (зависит от толщины трубопровода, типа изоляционного покрытия, состояния трубопровода и пр.) за одну установку системы контроля (рис. 3).

Рис. 3. Установка системы на объекте контроля (а) и пример представления результатов (б)

Чувствительность контроля к потерям поперечного сечения составляет 5-10%. Метод «ведомых» волн следует рассматривать как индикаторный с целью локации участка трубопровода для проведения дальнейших исследований другими методами НК.
Недостатками данного метода являются: отсутствие технологии калибровки аппаратуры по чувствительности контроля и сложность (неоднозначность) интерпретации полученных результатов.
Проблемы радиационного контроля сварных соединений «труба-трубная доска» (далее ССТТД) состоят в следующем:
- практическая невозможность использования гамма- и рентгенографического контроля ССТТД для труб с внутренним диаметром менее 15 мм, особенно труб, изготовленных из более легких материалов, чем сталь;
- низкая радиографическая чувствительность при использовании радионуклида Иридий -192, который традиционно применяется для контроля ССТТД, и организационно-технические сложности, связанные с его эксплуатацией (хранение, транспортировка, перезарядка, утилизация);
- высокая трудоёмкость и исключительно ручной характер работ по РК ССТТД.
Для решения данных проблем предложено использовать микрофокусные рентгеновские трубки, позволяющие проводить контроль сварного соединения за одну экспозицию по панорамной схеме просвечивания (рис. 4).

Рис. 4. Общий вид ССТТД (а) и пример снимка ССТТД с обнаруженными по результатам РК порами диаметром от 0,25 мм до 0,6 мм (б)

В настоящее время ведется отработка технологии автоматизированного радиационного контроля ССТТД теплообменника с применением цифровых детекторов.
Тепловой контроль (ТК) позволяет проводить их диагностику при эксплуатационных нагрузках. ТК основан на регистрации и анализе температурных (тепловых) полей контролируемых конструкций, где информацию о параметрах объекта несет температура его поверхности, значения которой в основном определяются изменением теплофизических, геометрических характеристик в зависимости от действующей нагрузки. Наиболее эффективно применение ТК для диагностики технического состояния дымовых, вентиляционных труб и газоходов, теплофикационного оборудования (теплообменников, трубопроводов и др.), обмуровки и тепловой изоляции котлов, электрооборудования. В качестве примера использования ТК на объектах котлонадзора на рис. 5 представлена термограмма участка котла водогрейного газомазутного серии КВГМ-50.

Рис. 5. Термограмма (а) и фотография (б) участка водогрейного котла; зоны повышенных температур соответствуют нарушению изоляции

Несомненно, будущее НК на объектах котлонадзора за новыми технологиями, однако их появление в нормативной документации представляется возможным только после получения убедительных доказательств в достоверности, повторяемости и практической реализуемости этих методов.