Руководство по автоматическому ультразвуковому контролю (АУЗК) аустенитных сварных швов

Michael Moles и Sebastien Rigault

Olympus

Контроль аустенитных сварных швов представляет значительные трудности из-за крупнозернистой структуры металла. Поскольку радиографический контроль здесь не подходит, ультразвуковая дефектоскопия является единственным решением для контроля аустенитных сварных швов, резервуаров для хранения СПГ, труб из центробежно-литой нержавеющей стали. Крупные аустенитные зерна вызывают отклонение, расщепление и затухание ультразвукового луча. В данной статье представлены результаты исследований сварных соединений из аустенитных сталей (включая сварные соединения из нержавеющей стали, плакирование, сварные соединения из разнородных металлов, сварные соединения резервуаров для хранения СПГ с содержанием 9% никеля, трубы из центробежно-литой нержавеющей стали). Результаты исследований и практический опыт показывают, что продольные волны значительно меньше подвержены воздействию крупных аустенитных зерен, чем поперечные волны. Однако, ультразвуковой контроль еще больше усложняется модальной конверсией (преобразованием продольной волны в поперечную) на отражающих поверхностях, поэтому используется только половинное прохождение луча (полупуть). Существует целая иерархия подходов для разработки методик контроля, начиная с поперечных волн и заканчивая раздельно-совмещенными матричными ФР-преобразователями. Технология фазированных решеток является на сегодняшний день одним из самых эффективных и передовых решений в отрасли, как в техническом, так и в экономическом плане. Стандартные методики контроля используют секторное сканирование ФАР (S-сканы) с изменением угла ввода (обычно выполняется за несколько проходов). Метод контроля будет зависеть от толщины материала, размера свариваемого/плакированного материала, типа выявляемых дефектов, конструктивных требований, размера недопустимых дефектов, времени, бюджета, и самое главное, – от размера зерна материала сварного шва или плакирования. В статье дается несколько рекомендаций по методам ультразвукового контроля. Здесь также даны рекомендации по улучшению и расширению возможностей методов контроля.

Введение

Плакирование, сварные соединения разнородных металлов, аустенитные сварные швы, – представляют одинаковые трудности при ультразвуковом контроле по причине отклонения, разделения, преломления и поглощения лучей. Большинство опубликованных работ по ультразвуковому контролю касаются атомной промышленности. Атомная энергетика – первая отрасль, где были выявлены причины возникновения дефектов в трубах из литой нержавеющей стали (в частности, крупных ориентированных зерен), и проведен углубленный анализ проблемы. В целом, исследования показали, что:

• Лучше всего для контроля подходят более короткие ультразвуковые волны, немного больше размера зерна;
• Продольные волны проникают в материал лучше, чем поперечные волны
• Поперечные волны работают (но ЭМАП имеют малое отношение сигнал-шум);
• Раздельно-совмещенные преобразователи являются наиболее оптимальным решением контроля. (Раздельно-совмещенный преобразователь содержит в общем корпусе два и более пьезоэлемента, один из которых работает только в режиме излучения, а другой в режиме приема, минимизируя приповерхностное отражение).

В атомной промышленности, литая нержавеющая крупнозернистая сталь представляет большой интерес. Экспериментальные испытания показали, что вероятность обнаружения дефектов в ней слишком мала. В значительной мере это касается сварных соединений из сплавов Inconel и ему подобных сплавов (плакирование, сварные соединения разнородных металлов), – крупные ориентированные аустенитные зерна преломляют, поглощают и отражают ультразвуковые волны. Радиографический контроль сталкивается с теми же проблемами, что и УЗК; крупные зерна замутняют изображения, усложняя выявление дефектов.

Что касается нефтехимической промышленности, где также широко используются корозионно-стойкие сплавы, – это отдельная история. Опубликовано очень мало работ по плакированию и сварным соединениям из разнородных металлов; и это не удивительно, поскольку любая информация, как правило, носит коммерческий или конфиденциальный характер.

Проблему можно охарактеризовать следующим образом: ферритовые материалы подвергаются фазовому преобразованию при охлаждении, в результате чего образуется квазислучайная объемно-центрированная кубическая структура. Аустенитные сварные швы, в свою очередь, не трансформируются. Структура сталей аустенитного класса представляет:

-γ-Fe (гранецентрированная кубическая форма), немагнит.
-Крупнозернистая структура (до нескольких мм)
-Анизотропный материал: физические характеристики материала (скорость звука в материале, затухание сигнала, отклонение луча) зависят от ориентации кристаллов.

На практике, микроструктура обуславливает контролепригодность сварных соединений из аустенитных сталей.

Ситуация на текущий момент

Атомная энергетика: В данной отрасли было выполнено значительное число исследований по аустенитным материалам, включая дорогостоящий метод моделирования (1); проблема моделирования в том, что микроструктура может варьироваться, поэтому есть некоторые ограничения. Основным объектом изучения была нержавеющая сталь, полученная центробежным литьем (CCSS). Типичные результаты показаны на Рис. 1, хотя реальные результаты будут опять-таки сильно зависеть от микроструктуры. Зерна литой нержавеющей стали, как правило, значительно крупнее аустенитных зерен, что усложняет контроль. Другая проблема при контроле CCSS – это то, что размер зерен зависит от скорости охлаждения, положения на трубе, процедуры и т.д., в отличие от других материалов.

Рис. 1: Прохождение смоделированного пучка в аустенитных сварных соединениях при использовании различных типов волн.

В атомной энергетике, обычно используется низкочастотный преобразователь (или матрица) продольных волн, например, ПЭП с частотой 1 МГц для измерения стенок толщиной до 50 мм (2, 3) и даже меньше. Это сокращает чувствительность. Раньше растровое сканирование продольной волной использовалось на фиксированных углах, в соответствии с ASME. Недостаток традиционных преобразователей в том, что они имеют ограниченную фокусную зону и фиксированные углы. В последнее время, в атомной промышленности широкое применение получило секторное сканирование ФАР (S-сканы) [см. Рис. 2].

Рис. 2: Схематическое изображение сканирования сварного шва за несколько проходов.

С приходом технологии фазированных решеток, были разработаны матричные преобразователи TRL (4, 5), генерирующие продольные (L) звуковые волны приема (R) -передачи (T). Фазированный преобразователь TRL (с излучающим и принимающим элементами)использует ограниченную матрицу для фокусировки и отклонения электронного луча с целью настройки глубины фокусировки. Преобразователь обычно имеет двойную матрицу, по два ряда с каждой стороны, и различное число элементов, определяющих длину ПЭП. Типичный фазированный преобразователь TRL состоит из 4x15 элементов, расположенных в два ряда, как схематически изображено на Рис. 3.

Рис. 3: Схематическое изображение фазированного преобразователя TRL, где четко видно двойную матрицу и лучи под углом.

Фазированные преобразователи TRL имеют немало преимуществ перед одноэлементными ПЭП:

• Во-первых, минимизирована мертвая зона на поверхности.
• Во-вторых, существенно сокращен уровень шума вблизи поверхности.
• В-третьих, фазированные решетки могут генерировать S-сканы под разными углами и в разных положениях.
• Ну и наконец, матричный преобразователь TRL генерирует волны с возможностью фокусировки на различной глубине.

Фазированный преобразователь TRL, использующий многочисленные S-сканы, обеспечивает лучшие результаты по выявлению дефектов, чем традиционный УЗК или линейный ПФР (см. Рис. 4). ФР-преобразователь TRL также позволяет лучше измерить поверхностную волну, благодаря контролируемому формированию пучка. Однако, по сравнению с линейными матрицами, ФР-преобразователь TRL крайне сложен в использовании и калибровке, и специально подгоняется под конкретное приложение.

Рис. 4: Результаты контроля TRL-ПФР бокового сверления (SDH) 5 мм на детали из литой нержавеющей стали

Для сравнения, дифракционно-временной метод не может гарантировать высокого качества контроля, поскольку размер зерен слишком большой для оптимального выявления дефектов (6).

Нефтехимическая промышленность: Сюда входит контроль сварных соединений плакированных трубопроводов, резервуаров хранения СПГ, а также контроль сварных соединений разнородных металлов. Это более поздние приложения, где с помощью автоматизированных процессов сварки контролируется размер зерен. Соответственно, контроль данных материалов относительно прост, по сравнению с металлическим литьем. Почти все приложения являются специализированными, даже если основные физические принципы четко определены.

На Рис. 5 показан контроль сварного соединения разнородных металлов с использованием специального метода калибровки ФР с отражателями в свариваемом материале. В данной процедуре используются комбинированные поперечные и продольные волны. Отражения от плакированной поверхности четко видны на Рис. 5 (7).

Рис. 5: Контроль сварных соединений разнородных металлов с использованием S-скана ФАР.
Поверх плакирования четко видна (обозначена)риска.

Плакирование представляет аналогичные проблемы, поскольку лучи не могут быть отражены из-за преобразования волн. В этом случае также рекомендуется комбинация S-сканов с поперечными или продольными волнами. На Рис. 6 представлен плакированный лист с нанесенными рисками. Риски отчетливо видны при малых уровнях шума.

Рис. 6: Плакированный лист с рисками глубиной 0,5 мм, 1 мм и 1,5 мм

Важным преимуществом является возможность контроля всего объема сварного шва, при этом верхушка сварного шва должна быть удалена.

Резервуары для хранения сжиженного природного газа изготавливаются из аустенитной стали с 9%-содержанием никеля, обладающей высокой ударной вязкостью при низких температурах. Опять-таки, исходя из физических свойств, лучше использовать продольные волны (L), чем поперечные (S). На Рис. 7 показан пример (запатентованной) методики дискриминации (разбиения на зоны) при контроле резервуаров хранения СПГ. Аналогичная методика применяется для контроля трубопроводов (8).

Рис. 7: Техника ленточной диаграммы для контроля резервуаров хранения СПГ. Фото из архива CB&I.

Другие компании также разрабатывают уникальные методики контроля. Applus RTD использует похожую методику разбиения на зоны [Рис. 7] (9). Компания AIT использует E-скан с изображением профиля сварного шва, как показано на Рис. 8.

Рис. 8: E-скан и A-скан (слева): несплавление по боковой поверхности сварного соединения СПГ. Фото из архива AIT (7).

Техника разбиения на зоны является наиболее быстрой, но дает изображения худшего качества. Последние разработки в области усовершенствования систем контроля позволят выполнять контроль сварных соединений трубопроводов в сложных условиях эксплуатации (10). Новый PipeWIZARD v4 может управлять раздельно-совмещенными матричными ПФР (например, TRL-ПФР).

В результате контроля сварных соединений из супераустенитной стали, специалисты компании EWI пришли к аналогичным заключениям по их контролируемости (11).

Рекомендуемая стратегия ультразвукового контроля

Как уже было отмечено в статье, существуют специальные методики контроля аустенитных сварных соединений, и они общеизвестны. Основным фактором является размер зерна; крупные зерна вызывают отклонение, расщепление и затухание ультразвукового луча. В этой связи, более поздние нефтехимические продукты доступнее для контроля, чем например, трубы из нержавеющей стали, полученной центробежным литьем (CCSS), используемые в атомных реакторах.

Что касается стратегии контроля, то здесь используется очень простой метод, с которым не сравнится ни одна процедура АУЗК.

1. Попробуйте просканировать сварной шов с помощью традиционных поперечных УЗ волн
2. Если это не работает, используйте призму продольной волны
3. Уменьшите частоту, скажем, с 5 МГц до 2 МГц или 1 МГц (в зависимости от толщины)
4. Если уровень шума вблизи поверхности высокий, попробуйте использовать раздельно-совмещенный ПЭП
5. После определения типа волны и частоты для традиционного УЗК, переключитесь в режим фазированных решеток, используя тот же тип волны, частоту и апертуру
6. Разработайте процедуру контроля с использованием ФАР и S-сканов для обеспечения полного охвата под разными углами.
7. Если уровень шума позволяет, объедините данные для оптимальной интерпретации результатов.

Данный подход не является необходимым, если размер зерна небольшой. Например, на Рис. 9 представлено секторное сканирование ФАР (S-сканы) тонкостенной трубы из аустенитной стали, сваренной автогенной сваркой. Скорость охлаждения была высокая, поэтому зерна мелкие – соответственно, контроль выполнен традиционными поперечными волнами.

Рис. 9: S-скан: Контроль сварного соединения из аустенитной нержавеющей стали (11)

Возможные варианты уменьшения размеров зерна

Уменьшение размера зерна несомненно является основным ключом к улучшению контролируемости аустенитных сталей. Однако, любая из предложенных ниже методик может увеличить расходы, а также повысить вероятность возникновения дефектов, таких как несплавления (11).

1. Уменьшение погонной энергии: Наиболее важными характеристиками погонной энергии являются сила сварочного тока и скорость перемещения дуги. Напряжение сварочной дуги имеет незначительный эффект. Размер зерна зависит от скорости охлаждения. Огромное воздействие на скорость охлаждения оказывают погонная энергия, толщина пластины и предварительный нагрев. В целом, предварительный нагрев не является фактором контроля размера аустенитного зерна. Погонная энергия, в частности, сила сварочного тока и скорость перемещения дуги – основные параметры, определяющие размер зерна.

2. Проволока малого диаметра: Проволока малого диаметра также обеспечивает малый размер зерна по причине меньшей погонной энергии. Сварочная проволока повышает ударную вязкость материала, но увеличивает время сварки шва. Если время является критическим фактором, проволока малых диаметров может стать проблемой.

3. Изменение технологии сварки: Некоторые методы сварки уменьшают размер зерна. В методе PGMAW (импульсно-дуговая сварка в защитных газах) используются импульсы для уменьшения зон термического влияния, при этом обеспечивается качественный провар свариваемых кромок. Любой высокоинтенсивный метод сварки, например, плазменная сварка или PGMAW будет лучше чем, скажем, TIG (сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа).

4. Химический состав свариваемого металла: Ферритные стали имеют малый размер зерна. Это влияет на коррозионную устойчивость и прочность металла. Если изначально была выбрана аустенитная сталь, маловероятно, что ферритная сталь будет приемлемой заменой.

5. Затравка: Поскольку зерна имеют тенденцию к кристаллизации и росту, затравка может быть потенциальным решением для уменьшения размера зерна. В качестве модификатора был предложен B (бор), способный расщеплению зерна, но это представляется маловероятным.

Выводы

1. Не существует одного идеального решения для контроля аустенитных сварных соединений, плакирования и сварных соединений разнородных металлов.
2. Главное значение имеет микроструктура сварного шва; крупные ориентированные зерна будут создавать проблемы.
3. Наилучшим решением будет испробовать несколько разных методик и выбрать наиболее подходящую.

Библиография

1. J.A. Ogilvy, "Ultrasonic Beam Profiles and Beam Propagation in Austenitic Weld using a Theoretical Ray Tracing Model", Ultrasonics, Vol. 24, No. 6, 1986, p. 337.
2. M. Delaide, G. Maes and D. Verspeelt, "Appendix VIII qualification of manual phased array UT for piping", G Maes, J Berlanger, J Landrum and M Dennis, Insight Vol. 48, No. 4, April 2006, P. 240.
3. A. Bulavinov, M. Kröning and F. Walte, "Ultrasonic Inspection of Austenitic and Dissimilar Welds", IVth Pan-American Conference on NDT, Buenos Aires October 2007.
4. M. Delaide, G. Maes and D. Verspeelt, "Design and Application of Low-Frequency Twin Side-by-Side Phased Array Transducers for Improved UT Capability on Cast Stainless Steel Components", 2nd International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components, New Orleans, May 2000.
5. G. Selby, "Developments in the USA: Looking to the Future", 6th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components, Budapest, Hungary, October 2007.
6. R. Martinez-Oña, S. Viggianiello and A. Bleuze, "On Qualification of TOFD Technique for Austenitic Stainless Steel Welds Inspection", European Conference on NDT 2006, Berlin.
7. J. Halley and M. Moles, "Advances in the NDT of Dissimilar Metal Welds", Materials Evaluation, December 2008, P. 1241.
8. R. Kruzic, "Ultrasonic Examination of 9% Ni Inner Shells of Liquid Natural Gas (LNG) Storage Tanks", FabTech 2008
9. J. van der Ent, N. Findlay, N. Portzgen, O. Nupen, G. Endal and O. Forli, "Automatic Ultrasonic inspection of Pipeline CRA Layer", 12th Asia-Pacific Conference on NDT, 10 November 2006, Auckland, New Zealand.PWZ v4, Australia
10. M. Lozev et al., "Inspection of Superaustenitic Stainless Steel Welds using Phased Array Ultrasonic Testing", EWI Project No. 446461RP, April 2003.
11. S. Rigault and M. Moles, "PipeWIZARD Version 4 - A New, Improved Pipeline AUT Girth Weld Inspection System", Materials Australia, Surfer's Paradise, Australia, August 2009.
12. D. Fairchild, private communication.