Универсальный шаблон специалиста по неразрушающему контролю TapiRUS

Шубочкин Андрей Евгеньевич – д-р техн. наук,
заведующий сектором вихретоковой дефектоскопии,
E-mail: aeshubochkin@mail.ru;
SPIN-код: 3488-3122, AuthorID: 494813

Галкин Денис Игоревич – конд. техн. наук, директор,
SPIN-код: 7901-1262, AuthorID: 673282.

Ефимов Алексей Геннадьевич – д-р техн. наук,
заведующий научно-исследовательским отделом №12 “Электромагнитной технической диагностики металлоизделий”,

Бобров Владимир Тимофеевич – д-р техн. наук,
экспертно-консультационный совет,

SPIN-код: 7609-8336, AuthorID: 185162

ЗАО "Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО "СПЕКТР", (Москва),

Нормативные документы ([1], [2], [3], [4]) в области визуального и измерительного неразрушающего контроля (ВИК) устанавливают достаточно жесткие требования к допускаемой погрешности измерений геометрических параметров сварного соединения и обнаруженных поверхностных несплошностей [5]. Так, при измерении ряда параметров погрешность не должна превышать 0,1 мм. К таким параметрам относятся глубина подреза, смещение кромок и пр. Строгие требования к качеству ответственных сварных соединений применяются не только на железнодорожном транспорте [6, 7] и в атомной промышленности [4], но и нефтегазовой отрасли. Согласно подготавливаемому к выпуску новому СТО Газпром 15-X.Х-004-20ХХ «Сварка и неразрушающий контроль сварных соединений. Неразрушающие методы качества сварных соединений промысловых и магистральных газопроводов» на замену [3], для измерения геометрических параметров кольцевых сварных соединений и оценки их качества следует применять шаблоны, в том числе универсальные, а погрешность измерений при визуально – измерительном контроле (ВИК), предполагает достаточно жесткие требования. При измерении линейных размеров величин погрешность измерения не должна превышать 0,1 мм для размеров до 0,5 мм, 0,2 мм – до 1 мм; 0,3 мм– до 1,5 мм; 0,4 мм– до 2,5 мм и т.д.
Следует отметить, что погрешность измерения является одним из значимых факторов контроля и, наряду с отклонениями формы, размеров несплошностей и др., влияет на назначение критериев отбраковки. При этом нормативные документы не предоставляют возможности самостоятельно выбирать уровни отбраковки в зависимости от точностных характеристик использованного оборудования при измерениях.
Таким образом, при применении средств контроля и методик, не обеспечивающих требуемую погрешность измерений, ужесточаются нормы отбраковки, а в случае регламентирования требований к погрешности измерения подобные средства контроля использовать невозможно.
В связи с изложенным актуален вопрос корректного выбора средств визуального и измерительного контроля качества сварных соединений.
Сложившаяся ситуация на рынке шаблонов и средств измерения параметров сварных соединений неутешительна. На практике сварщики и специалисты неразрушающего контроля (НК) применяют универсальные шаблоны. Следует обратить внимание, что ни один из используемых сегодня шаблонов комплексно не решает задачу контроля.
В большинстве случаев, с точки зрения нормативных документов, шаблоны УШС-3, Красовского, BridgeCam и др. являются устаревшими, поскольку на них нанесены шкалы с шагом 1 мм. Шаблоны Ушерова-Маршака, УШС-4, WG-1, WG-2 и др., имеющие шкалу с нониусом, ориентированы на измерение одного линейного значения и не в состоянии решить все задачи контроля. Использование вышеперечисленных шаблонов предписывают и ряд отраслевых стандартов, в том числе и РД ВНИИЖТ-059/01-2019 Инструкция по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов [8], поскольку они приведены в ГОСТ Р ИСО 17637-2014 Контроль неразрушающий. Визуальный контроль соединений, выполненных сваркой плавлением [9]. Более того, на рынке средств НК представлены шаблоны импортного производства серий WG-1, BridgeCam и пр. В документации производителей и на сайтах поставщиков погрешность измерения шаблонов подменяется на часть их инструментальной погрешности, а именно точность считывания шкал в лабораторных условиях или на допустимое отклонение шкал [11].
Казалось бы, введение в эксплуатацию новых более точных средств измерения линейных размеров сварных соединений является очевидным шагом развития ВИК. Однако на практике нововведения вызывают непринятие со стороны сварщиков и контролеров.

Метрологические предпосылки для работы с более точными средствами измерения

Многие считают, что при использовании более точных средств измерения увеличится число забракованных сварных соединений и, как следствие, уменьшится производительность и оплата труда. Но так ли это на самом деле?
Согласно нормативным документам, для каждого измеряемого параметра задается допустимый диапазон его значений либо порог отбраковки — граничные величины, позволяющие отделить годные сварные соединения от брака. При задании граничных условий учитывается достаточно большое число влияющих факторов: свойства материалов и прочностные расчеты, условия и режимы эксплуатации металлоконструкций, экономическая целесообразность и т. д. Кроме вышеперечисленных факторов, в итоговом значении граничных условий принимаются в расчет средства и методики измерения контролируемых величин, их метрологические характеристики.
Рассмотрим степень влияния метрологических характеристик средств измерения. Для каждого параметра существует его истинное значение, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину, однако оно может быть получено только в результате бесконечных измерений с постоянным совершенствованием методов и средств. В общем случае для каждого средства измерения можно определить вероятность попадания истинного значения в заданный доверительный интервал. Таким образом, чем больше погрешность измерения у используемого средства, тем шире доверительный интервал, соответствующий заданной вероятности, и тем более значительную поправку требуется вносить в граничные условия параметра.
Хорошо известно, что при любом измерении могут возникнуть ошибки первого и второго рода, т. е. годное сварное соединение ошибочно относят к браку либо признают браком. Для уменьшения вероятности возникновения ошибки первого рода в нормативных документах закладывается процент перебраковки — величина, прямо пропорциональная интервалу измерительной погрешности методики и (или) измерительного инструмента и влияющая на величину порогов отбраковки.
Именно улучшение метрологических характеристик средств измерения позволяет более корректно определить границы отбраковки и тем самым снизить процент признания годных изделий браком, не опасаясь за пропуск брака.
В Научно-исследовательском институте интроскопии (ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр») разработан универсальный шаблон специалиста по неразрушающему контролю TapiRUS (УШС НК TapiRUS), который обеспечивает требования погрешности измерения и позволяет реализовывать более 40 схем измерения.
Впервые УШС НК TapiRUS был представлен широкому кругу специалистов в Казани на 45-м мировом чемпионате по профессиональному мастерству по стандартам «Ворлдскиллс» (WorldSkills). Новый инструмент был положительно оценен международными экспертами из 40 стран в компетенции «Сварочные технологии».
В дальнейшем шаблон TapiRUS был продемонстрирован на многих научных и технических форумах: на VII Московском международном инженерном форуме-2019, VII Международном промышленном форуме «Территория NDT. Неразрушающий контроль. Испытания. Диагностика» в Москве, V Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest-2019 в Екатеринбурге, на ASNT Annual Conference-2019 в Лос-Вегасе (Невада, США), на 24-й Международной выставке по контролю качества и испытательному оборудованию в Шанхае (КНР) и т.д.
В достаточно короткий срок универсальный шаблон получил одобрение и рекомендацию к применению специалистами ведущих компаний России: АО «Мособлгаз», АО «НИКИМТ-Атомстрой», АО «НТЦ «Промышленная безопасность», ГНЦ АО «НПО «ЦНИИТМАШ», ООО «Газпром газнадзор», ООО «ГАЦ МР НАКС», ООО «Уральская Сталь» [10].
Новый шаблон TapiRUS – полностью отечественное изделие. Он изобретен, спроектирован и изготавливается на территории России. Стоит отметить, что разработка, подготовка к производству и изготовление 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, сверхточная цветная лазерная гравировка всего изделия в собранном виде, лазерная стереолитография (SLA) — технология послойного синтеза материала из жидкого фотополимера.

Описание, технические характеристики и особенности шаблона TapiRUS

Рис.1. Устройство УШС НК TapiRUS: 1 – основание, 2 - упор, 3 – планка, 4 – щуп, 5 – игла, 6 - установочный винт упора, 7 – установочный винт планки, 8 – установочный винт щупа, 9 – опоры, 10 – винт опор, 11 – винты регулировки положения иглы, 12 – винты регулировки хода щупа, 13 – винты регулировки положения планки, 14 – винты регулировки хода планки, 15 – зажимной винт, 16 – шайба стопорная упорная; B, C – шкалы зазора, D – шкала диаметров, E – риска индикаторная, F, G – линейки разделки кромок, H – вертикальная двунаправленная шкала, K – вертикальная однонаправленная шкала, L – линейка, W – шкала горизонтальная, Z – шкала высот, A – точка измерения (острие иглы), O – нулевая точка установки, M, U, V, Y, X – калибры угла разделки, I, J – калибры возвышения, P, R, S, T – калибры катета, калибр радиуса

Шаблон TapiRus можно позиционировать по нормали к цилиндрическим поверхностям свариваемых элементов. Подвижные опоры (9) позволяют зафиксировать его в положении, обеспечивающем повторяемость измерения, предотвращая перекос плоскости шаблона относительно контролируемой поверхности и измерительного элемента от нормали к точке измерения. Упор (2) предназначен для однозначной установки на трубу соответствующего диаметра (133—1420 мм) и проведения измерений на продольном шве сварных труб. В результате можно осуществлять ряд дополнительных измерений металлоконструкций при снижении погрешности.
Еще одной технической особенностью шаблона являются пружинные фиксаторы (рис. 2). Двухуровневая (глухая и регулируемая подвижная) фиксация позволяет: фиксировать подвижные элементы 2, 4, 5 в положении выполнения измерения, что повышает удобство работы при надежном закреплении элементов относительно друг друга; фиксировать одну из шкал для периодических измерений по второй шкале; блокировать упор при постановке шаблона на цилиндрическую поверхность.
Шаблон TapiRUS имеет три шкалы с нониусами. Использование нониуса увеличивает в несколько раз точность считывания по существующим шкалам K, H и W. Принцип работы нониуса основан на следующем.
Нониус представляет собой связанную с указателем подвижную шкалу, скользящую вдоль основной шкалы. Указатель является одновременно “нулем” шкалы нониуса. Деления на шкале нониуса наносятся следующим образом. Выбирается точность нониуса: δ = D/N, где D – цена деления основной шкалы (для шкал K, H и W равна 1 мм); N – натуральное число (10 для шкал K, H и 20 для шкалы W). Если совместить нуль нониуса с одним из делений основной шкалы, то первая риска нониуса наносится так, чтобы она отставала относительно следующей риски шкалы на δ, вторая – на 2δ, n-я – на nδ. Последняя n-ая риска нониуса снова совпадает с одной из рисок основной шкалы Если в процессе измерений указатель шкалы (который является и нулем нониуса) сместить на δ, мы увидим совпадение для первой риски нониуса n=1, на 3 2δ – для риски n = 2 и т.д. Таким образом, если при измерении n-ая риска нониуса дала совпадение, значит, указатель шкалы смещен на nδ от последнего пройденного деления основной шкалы. Полный результат измерения (к примеру, длины L) находится суммированием значения, соответствующего этому последнему делению основной шкалы (m), и смещению nδ:

Рис. 2. Пружинные фиксаторы УШС НК TapiRUS: а – элементы фиксатора, б – подвижный режим: гайка задает силу прижима головки винта с подвижным элементом, в – ручное освобождение подвижного элемента, г – фиксация: гайка упирается в неподвижный элемент, пружина имеет межвитковый зазор, L1, L2, L3 – длина пружины, F – сила прижима,  – зазор между головкой винта и подвижным элементом

Три шкалы с нониусами разной конструкции (рис. 3) описаны с примерами использования на сайте шаблона (https://www.tapirus.info) и в методике по его использованию

Рис. 3 Шкалы с нониусами УШС НК TapiRUS

Взаимно перпендикулярные шкалы ширины (W) и высоты (H) позволяют точно измерять параметры в полуплоскости от нулевой точки установки шаблона, а шкала К – корректно установить шаблон на требуемую цилиндрическую поверхность и измерить катеты сварного шва и глубины неоднородностей.

Схемы измерения

С помощью шаблона TapiRUS можно производить достаточно большое число измерений параметров сварных соединений и обнаруженных дефектов разнообразных размеров. Его используют на всех стадиях создания и эксплуатации сварных соединений. Перечень задач, для решения которых применяется шаблон TapiRUS, приведен ниже.
ВИК на стадии входного контроля проводят с целью выявления деформаций, поверхностных трещин, расслоений, закатов, забоин, рисок, раковин и других несплошностей; проверки геометрических размеров заготовок, полуфабрикатов и деталей; проверки допустимости выявленных деформаций и поверхностных несплошностей.
ВИК готового сварного соединения проводят с целью выявления деформаций, поверхностных трещин, подрезов, прожогов, наплывов, кратеров, свищей, пор, раковин и других несплошностей и дефектов формы швов; проверки геометрических размеров сварных швов и допустимости выявленных деформаций, поверхностных несплошностей и дефектов формы сварных швов.
ВИК при сборке свариваемых элементов проводят с целью выявления и проверки обеспечения допустимых размеров зазоров, смещений кромок, формы и размеров кромок и геометрического положения (излома или перпендикулярности) осей и поверхностей собранных элементов.
ВИК в процессе эксплуатации проводят с целью выявления изменений формы технических устройств и сооружений, поверхностных дефектов в материале и сварных соединениях (наплавках), образовавшихся в процессе эксплуатации (трещин, коррозионных повреждений, деформаций и пр.)
Не все измерения приведенных параметров возможны прямым способом. Ряд величин могут быть получены лишь с помощью косвенных измерений.
Впервые разработана подробная инструкция, представленная на сайте шаблона. В ней содержатся схемы измерения параметров сварных соединений, контролируемых на всех стадиях применения ВИК, полное описание работы шаблона. Данная инструкция (методика) может быть использована при обучении специалистов в области сварки и неразрушающего контроля.
Методика адаптирована под действующие нормативные документы и позволяет легко определить последовательность действий пользователя для решения конкретной задачи.
Кроме методики, на сайте шаблона представлен и калькулятор для расчетов не прямых измерений. К ним относятся расчеты угла скоса, угла между свариваемыми элементами конструкции, перелома оси/углового смещения (база 200 мм), выпуклости при сварке разнотолщинных элементов (рис. 4), диаметра трубы (цилиндрической поверхности), высоты/глубины (при установке в поперечном сечении трубы), допустимого значения измеряемой величины при известном определяемом параметре.

Рис. 4. Схема определения выпуклости при сварке разнотолщинных элементов с помощью УШС НК TapiRUS: 1 – первая точка измерения, 2 – вторая точка измерения, g – расчетная величина

Кроме измерительных шкал, шаблон содержит достаточно большое количество вспомогательных калибров и щупов: калибры угла разделки 12°, 20°, 30°, 40° (рис. 5); калибры плавности перехода 110°, 120°, 150°; калибры катета 6, 7, 8 мм; калибр радиуса разделки 8 мм; щупы – игла 5 и упор 2 со шкалами измерения зазора разделки (Рис. 6). При измерениях в труднодоступных местах отдельные части шаблона могут быть демонтированы. Измерительная игла, выполненная из закаленной стали, также может быть заменена. В конструкции предусмотрена подстройка для компенсации износа или отклонения размера новой иглы. Сменный элемент позволяет продлить срок эксплуатации шаблона TapiRUS.

Рис. 5. Схемы измерения зазора разделки b с помощью УШС НК TapiRUS

Патент РФ. ГРСИ

Конструкция шаблона защищена патентом на изобретение РФ «Универсальный шаблон специалиста неразрушающего контроля» № RU 2714458. от 18.02.2020 (заявка 20.09.2019).
На момент написания этой статьи универсальный шаблон специалиста НК TapiRUS проходит процедуру внесения в Государственный реестр средств измерений.

Заключение

УШС НК TapiRUS, созданный для замены многочисленных шаблонов и приспособлений, используемых при визуальном и измерительном контроле качества сварных соединений, является не только новым и более точным средством измерения, но и вехой перехода в область цифровых технологий. Вместе с измерительным инструментом специалисты в области сварки и ВИК получают доступную, современную методику контроля на всех этапах производства и эксплуатации сварных соединений (представлена также в формате pdf); онлайн калькулятор, позволяющий рассчитать ряд параметров, не доступных прямому измерению. Пользователь доступно в любое время учебное пособие с полным описанием работы шаблона TapiRUS и его шкал с примерами. Универсальность шаблона обеспечивается возможностью реализации более 40 схем измерения при соблюдении требования по погрешности измерения.

Литература
1. РД 03-606-03. Инструкция по визуальному и измерительному контролю. Введ. 11.06.2003. М.: НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2004.
2. РД-25.160.10-КТН-016-15. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов. Введ. 16.04.2015. Изм. 21.12.2017. 195 с.
3. СТО Газпром 2-2.4-715-2013. Методика оценки работоспособности кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов: стандарт организации / Разработан научно-исследоват. ин-том природ. газов и газовых технологий. - Взамен СТО Газпром 2-2.4-083-2006 / Введ. 2014-03-17. - Москва: ОАО "Газпром", 2014. - VI, 226 с.
4. РБ 089-14. Руководство по безопасности при использовании атомной энергии «Унифицированные методики контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Визуальный и измерительный контроль. Введ. 06.06.2014. Отм. 01.03.2019. М.: ФБУ «НТЦ ЯРБ», 2014.
5. Основы диагностики технических устройств и сооружений: монография / Г.А. Бигус, Ю.Ф. Даниев, Н.А. Быстрова, Д.И. Галкин. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 445 с.
6. ГОСТ 33976-2016 «Соединения сварные в стальных конструкциях железнодорожного подвижного состава. Требования к проектированию, выполнению и контролю качества». Введ. 01.07.2017. М.: Стандартинформ, 2017 год.
7. ТИ 07.186-2018 «Технологическая инструкция по визуальному методу неразрушающего контроля деталей локомотивов при выполнении ремонтов».
8. РД ВНИИЖТ-059/01-2019 Инструкция по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов. (Утверждена на 63-м заседании Совета по железнодорожному транспорту государств-участников Содружества, протокол от 04-05.11.2015 г. с изм. и доп., утв. 71-м заседании СЖТ СНГ, протокол от 15-16.10.2019 г.)
9. ГОСТ Р ИСО 17637-2014 Контроль неразрушающий. Визуальный контроль соединений, выполненных сваркой плавлением. Введ. 01.01.2016. М.: Стандартинформ, 2015 год.
10. О погрешности измерения геометрических параметров сварного соединения с использованием шаблонов / А.Е. Шубочкин, М.А. Прилуцкий, Г.В. Зусман, Б.М. Кантер // Сварка и Диагностика. 2019. № 6. С. 41—45.
11. Универсальный шаблон специалиста «TapiRUS»: Руководство по эксплуатации. Версия 3: электронный ресурс / НИИИН МНПО «Спектр». URL: https://www.tapirus.info/russian/russian22243833 (дата обращения 16.02.2021).