СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К ВИЗУАЛЬНОМУ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОМУ КОНТРОЛЮ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Современный подход к визуальному и измерительному контролю сварных соединений
Д. И. Галкин, М. П. Клейзер, А. Е. Шубочкин
Визуальный и измерительный контроль (ВИК) сварных конструкций является первым методом неразрушающего контроля, который стоит на страже качества выпускаемой продукции. Именно на этапе проведения ВИК относительно просто может быть собрана ценнейшая информация о несоответствиях продукции требованиям нормативной документации, благодаря чему производство получит возможность локализовать проблемные участки.
Правильное использование результатов ВИК делает возможным осуществить точечное вмешательство в производственный процесс, приводящее к максимальному эффекту для улучшения качества продукции. Дополнительно повышается культура производства, что способствует уменьшению количества выявленных проблем другими методами неразрушающего контроля (ультразвуковым, радиационным и т.д.), снижению производственных издержек, повышению удовлетворённости потребителя.
Несмотря на столь существенную значимость ВИК, долгое время его потенциал не мог быть использован в полной мере. Все дело в том, что метод ВИК не был обеспечен приборной и методической базой, применение которой позволяло бы получить повторяемые результаты с необходимой для производства погрешностью измерений [1, 2].
Все, чем располагал специалист по ВИК – это, штангенциркуль, позволяющий уверенно определить лишь ширину выпуклости сварного шва, и шаблоны сварщика, не обеспечивающие необходимые погрешности измерений. Кроме того, как ни парадоксально, методика применения данных средств для измерения параметров сварных швов была представлена в форме картинок в [3] или в паспортах на шаблоны, и даже не имела подробного описания. Это явилось причиной сформировавшегося на многих производствах отношения к ВИК как к обязательной, но несущественной операции в процессе проведения неразрушающего контроля сварных конструкций.
Ситуация изменилась с появлением универсального шаблона специалиста неразрушающего контроля TapiRUS, который был разработан Научно-исследовательским институтом интроскопии «Спектр» для решения обозначенных проблем [3].
На сегодняшний день УШС НК TapiRUS (рисунок 1) не имеет аналога в мире по точности и количеству измеряемых параметров и включен в «Инфраструктурный лист международного строительного чемпионата (WCC)» в индивидуальной номинации «Неразрушающие методы контроля» (рисунок 2). На УШС НК TapiRUS получен патент на изобретение РФ [4].
Рисунок 1 – Универсальный шаблон НК TapiRUS
Рисунок 2 – Примерение УШС НК TapiRUS
на Международном строительном
чемпионате
Все этапы разработки и подготовки к производству с использованием аддитивных технологий были проведены исключительно в цифровом формате. При производстве шаблонов TapiRUS применяются новейшие лазерные и аддитивные технологии: используются станки высокоточной лазерной резки в инертном газе, пятиосевые обрабатывающие ЧПУ центры, пружинонавивочные станки-мультиформеры, сверхточная цветная лазерная гравировка всего изделия в собранном виде, 3D выборочное лазерное спекание (SLS).
В шаблоне реализована двухуровневая фиксация подвижных элементов и адаптивная установка по нормали к поверхности контролируемого объекта (рисунок 3), что позволяет значительно снизить ошибку позиционирования и исключает смещение шкал при контроле труднодоступных участков.
Рисунок 3 – Конструктивные преимущества УШС НК TapiRUS
Высокая точность измерения (± 0,1 мм) обеспечивается тремя шкалами с использованием одно- и двух- направленных нониусов (рисунок 4).
Рисунок 4 – Шкалы с нониусом в нулевом положении
Горизонтальная шкала W и двунаправленная H позволяют произвести контроль практически всех геометрических параметров сварного соединения и обнаруженных дефектов при одной установке, поскольку диапазоны их измерения охватывают часть полупространства перекрывающее контролируемую область. Шкала К обеспечивает контроль таврового сварного соединения и установку шаблона на цилиндрическую поверхность по образующей.
Следует отметить, что Универсальный шаблон специалиста НК TapiRUS является единственным средством измерения внесенном в государственный реестр средств измерения РФ (ГРСИ РФ № 82433-21) обеспечивающее требуемую стандартами организаций и руководящими документами точность измерения большинства параметров сварных соединений [5].
Остальные отечественные и зарубежные шаблоны и калибры ВИК, представленные на рынке, либо имеют узкую специализацию, значительные измерительные и конструктивные погрешности, либо не внесены в ГРСИ. Шаблоны, не обеспечивающие требуемую погрешность, не позволяют достигнуть необходимой стабильности результатов измерений, и поэтому их использование для проведения оценки соответствия контролируемого объекта требованиям нормативной документации является необоснованным.
Шаблон TapiRUS является достаточно сложным измерительным устройством и для облегчения освоения работы с ним в НИИ Интроскопии разработана полноценная методика, являющаяся не только руководством по эксплуатации шаблона, но и полноценным учебным пособием для визуального и измерительного контроля сварных соединений [6]. В методике описывается конструкция шаблона, схемы измерения при контроле сварных соединений типа лист-лист, продольных и поперечных швов труб и тавровых соединений на всех этапах их изготовления и эксплуатации. Приведены фотографии с примерами измеряемых параметров и соответствующие им схемы сварных соединений.
Некоторые из геометрических параметров объектов контроля не могут быть определены прямыми измерениями. Требования к таким параметрам определены в документации, однако средства измерения либо отсутствовали, либо являлись недоступными для большинства предприятий из-за их уникальности. УШС НК TapiRUS позволил закрыть и этот пробел в технологии ВИК.
Шаблон позволяет определить при его однократной установке координаты базовых точек конструкции по взаимно перпендикулярным шкалам W и H, а затем становится возможным рассчитать искомый параметр. На рисунке 5 приведен пример определения параметра сложной разделки толстостенного сварного соединения на этапе сборки металлоконструкции.
Рассчитать угол можно и самостоятельно, но пользователям TapiRUS доступен специализированный калькулятор для расчета величин.
Рисунок 5 – Измерение внутреннего угла сложной разделки
Онлайн версия калькулятора размещена на сайте https://www.tapirus.infо [7] и https://www.tapirus.ru [8]. В калькуляторе представлены расчеты величин, не подлежащих прямому измерению и определения значений калибров.
Еще одной сложной задачей ВИК является измерение параметров продольных (заводских) сварных соединений труб. Проблема состоит в том, что измерение должно проводиться по нормали к поверхности, а перемещения всех измерительных шкал устройств осуществляются по прямой, а не по образующей к поверхности. На рисунке 6 показан способ установки УШС НК TapiRUS на образующую цилиндрического объекта контроля (ОК). Упор обеспечивает установку измерительной иглы по нормали к поверхности, а опоры предотвращают отклонение шаблона от плоскости, образующей ОК.
Рисунок 6 – Измерение g - смещение кромок, h – измеренная величина
При смещении измерительной иглы по шкале W накапливается ошибка в определении искомой величины g (с учетом поправки на отклонение от нормали к поверхности).
Для получения корректного результата измерения смещения кромок также используется калькулятор TapiRUS «ВЫСОТА/ГЛУБИНА (ПРИ УСТАНОВКЕ В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ ТРУБЫ)».
Если при проведении измерения игла TapiRUS перемещается вверх от нулевого положения, то:
,
где: d – диаметр контролируемого объекта по шкале диаметров D [133…1420].
w – измерение по горизонтальной шкале W [0…55].
h – значение по двунаправленной вертикальной шкале H.
При проведении измерения игла TapiRUS перемещается вниз от нулевого положения.
Если рассчитанная величина g < 0, то отклонение от цилиндрической поверхности радиуса d/2 – в тело изделия.
Рисунок 7 – Внешний вид калькулятора на сайте tapirus.info
В представленном на рисунке 7 примере расчета с использованием онлайн калькулятора при диаметре d = 530 мм и отклонению по шкале w = 10 мм, измеренная величина
h = -2,2 мм, а искомое значение H = - 2,81 мм. Таким образом, без приведения измеренного значения к нормали риск недобраковки значительно возрастает.
В сварных соединениях существуют и параметры, вообще не подлежащие прямым измерениям. К ним относится высота выпуклости сварного шва при сварке разнотолщинных элементов. Данный параметр может быть рассчитан после измерения координат двух точек с использованием УШС НК TapiRUS (Рисунок 8).
На данном рисунке шаблон представлен в виде замещающей схемы. В таком варианте отображены большинство схем измерения в методике УШС НК TapiRUS. На схеме отображаются только шкалу участвующие в измерении и постановке шаблона на объект контроля.
Рисунок 8 – Определение высоты
возвышения сварного шва разнотолщинных элементов
На сегодняшний день удобство и эффективность использования УШС НК TapiRUS на своих объектах подтверждено многочисленными положительными отзывами организаций РФ, таких как ООО “Газпром газнадзор”, ГНЦ АО «НПО «ЦНИИТМАШ», АО “НИКИМТ-Атомстрой”, ООО “ГАЦ МР НАКС”, АО “Мособлгаз”, АО “Мосгаз” и пр.; учебными центрами по подготовке специалистов НК: ФГАУ “НУЦК при МГТУ им. Н.Э. Баумана”, ООО “НУЦ Качество”, Lavender International (UK) и др., а также экспертами в области НК из сорока стран мира, принимавшими участие в судействе международного чемпионата “WorldSkills Kazan -2019”.
Для более быстрого освоения функционала УШС НК TapiRUS в НИИ Интроскопии были спроектированы 3D-модели образцов, каждый из которых, несмотря на незначительные размеры, содержит более 20 измеряемых параметров сварных соединений. Впоследствии 3D-модели были материализованы с использованием аддитивных технологий. Таким образом, были получены образцы с полной воспроизводимостью геометрических характеристик, определяемых с высокой стабильностью результатов при помощи УШС НК TapiRUS. Такой подход позволяет применять УШС НК TapiRUS в комбинации с образцом в целях обучения или проверки практических навыков специалистов НК (рисунок 9). Так в 2022 году подобная практика была реализована при проведении финального этапа Всероссийского конкурса по неразрушающему контролю «Дефектоскопист 2022» [9] (рисунок 9).
|
|
Рисунок 9 – Использование УШС НК TapiRUS в комплекте с «клонированными» образцами
на Всероссийском конкурсе
«Дефектоскопист 2022»
Тем не менее авторы решили не останавливаться на достигнутых результатах и развивать цифровой потенциал УШС НК TapiRUS.
Во многих случаях контроль проводится на объектах, расположенных в местах, где отсутствует мобильный интернет и локальная сеть. В таких случаях калькулятор на сайте становится недоступным для использования.
Было принято решение, во-первых, создать скачиваемую версию сайта, на которой калькулятор останется доступным для всех типов устройств в формате html (скачать данную версию можно на сайте [8]), а также создать приложение для мобильных андроид устройств (Рисунок 10).
Рисунок 10 – Экраны приложения УШС НК TapiRUS
Приложение работает офлайн на устройствах с ОС Android версии 6.0 и выше.
Структура навигации (меню) обеспечивает удобный доступ к разделам. Для каждого вычисляемого параметра приведены замещающие схемы шаблона, методика измерения и осуществляется контроль ввода измеренных значений для расчета искомого параметра. Реализована возможность копирования результатов вычислений и экспорт результатов вычислений в требуемый файловый формат.
Приложение написано на языке программирования Kotlin с использованием фреймворка Jetpack Compose. Средства разработки были выбраны как одни из самых современных и перспективных с большими возможностями расширения функционала приложения.
Кроме вычисляемого параметра, пользователям доступен следующий функционал: определение параметров отбраковки в соответствии с выбранным нормативным документом с учетом характеристик объекта контроля (толщина, класс качества и пр.), офлайн методика измерения соответствующего параметра, а также описание самого измерительного устройства.
Таким образом, использование разработанного в научно-исследовательском институте Интроскопии УШС НК TapiRUS позволяет получить максимально информативные и стабильные результаты при проведении ВИК сварных соединений, что делает возможным раскрыть производственный потенциал этого метода контроля.
Отдельно следует отметить, что УШС НК TapiRUS дополнен инструментами, необходимыми для его быстрого освоения и правильного применения, а его цифровые возможности делают доступной нужную при проведении ВИК информацию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шубочкин А. Е. О погрешности измерения геометрических параметров сварного соединения с использованием шаблонов / Зусман Г.В., Кантер Б. М., Прилуцкий М. А. ISSN 2071-5234. Сварка и Диагностика. 2019. № 6 с.41-45.
2. A E Shubochkin Measuring error of geometric parameters of welded joint using gauges / B M Kanter, G V Zusman, A Kh Vopilkin, V G Badalyan et al 2020 J. Phys.: Conf. Ser. 1636 012018.
3. Инструкция по визуальному и измерительному контролю (РД 03-606-03). Серия 03. Выпуск 39 / Колл. авт. - М.: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004.
4. Патент на изобретение RU 2714458 C1. Универсальный шаблон специалиста неразрушающего контроля: N 2017105030: Заявка № 2019126215 от 20.08.2019: опубликовано 18.02.2020 / Шубочкин А.Е., Галкин Д.И., Ефимов А.Г., Юрченко А.А. — 22 с. : ил. — Текст : непосредственный.
5. Галкин Д. И. Универсальный шаблон специалиста по неразрушающему контролю / Шубочкин А.Е., Галкин Д.И., Ефимов А.Г., Уланов В.В., Шестаков Р.А. Деловой журнал Neftegaz.RU. 2021. № 3 (111). С. 42-46.
6. Галкин Д. И. Визуальный и измерительный контроль сварных соединений с использованием универсального шаблона специалиста неразрушающего контроля / Толстых О. А., Перфильев И. В., Шубочкин А. Е. ISBN 978-5-4442-0162-6, 2021, Издание: 1-е, 68 стр.
7. Универсальный шаблон специалиста «TapiRUS» электронный ресурс / НИИИН МНПО «Спектр». URL: https://www.tapirus.info/ (дата обращения 01.12.2022).
8. Калькулятор для универсального шаблона специалиста «TapiRUS» электронный ресурс / НИИИН МНПО «Спектр». URL: https://www.tapirus.ru/ (дата обращения 01.12.2022).
9. Итоги Всероссийского конкурса РОНКТД «Дефектоскопист 2022» электронный ресурс / РОНКТД. URL: https://ronktd.ru/news/2022/1173/ (дата обращения 01.12.2022).
Галкин Денис Игоревич – канд. техн. наук, генеральный директор АО «НИИИН МНПО «СПЕКТР», г. Москва, Россия, e-mail: galkin@niiin.ru.
Клейзер Михаил Петрович – студент ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет», Москва, Россия, e-mail: miv738@gmail.com;
Шубочкин Андрей Евгеньевич – д-р техн. наук, руководитель отдела АО «НИИИН МНПО «СПЕКТР», г. Москва, Россия, e-mail: sae@niiin.ru
