Тест-образец для неразрушающего контроля

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля несплошностей, неоднородностей и других дефектов материала изделия, в том числе ультразвукового, вихревого и радиографического методов контроля. Тест-образец, выполненный в форме изделия, содержит расположенные случайным образом дефекты. При этом дефекты могут входить в одну или более из трех групп дефектов: дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров дефектов, допустимых при эксплуатации, до размеров критических для изделия в режиме эксплуатации дефектов; дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров, допустимых при изготовлении дефектов, до размеров дефектов, допустимых при эксплуатации; дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров, минимальных доступных для выявления дефектов, до размеров дефектов, допустимых при изготовлении. Изобретение позволяет произвести дифференцированную оценку характеристик контроля. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля (далее НК) несплошностей, неоднородностей и других дефектов материала изделия или группы изделий (деталей, элементов конструкций и т.п.), в том числе ультразвукового, вихревого, радиографического и других методов НК. Образец может применяться при оценке достоверности средств и методов НК, квалификации операторов НК, контроля изделий во время эксплуатации и/или изготовления.

При изготовлении и эксплуатации изделия современной техники испытывают силовые и/или термосиловые воздействия, актуальной задачей является выявление дефектов сплошности материала изделия технологической или эксплуатационной природы.

При оценке приемлемости метода и/или средства НК, а также при оценке уровня квалификации оператора (персонала) НК используют стандартные образцы с отверстиями или другими несплошностями, изготавливаемые сверлением или фрезерованием.

Прототипом заявленного изобретения является образец (SU 1420519 А1 30.08.1986 бюл. №32), содержащий расположенные случайным образом дефекты.

Недостатком стандартных образцов является то, что они содержат дефекты объемного типа, а их размеры и расположение заранее известны оператору НК. Кроме того, стандартный образец по своим размерам и форме не отражает форму и размер изделия, а размеры дефектов никак не связаны с размерами опасных для эксплуатации дефектов. В ряде случаев предлагают использовать тест-образцы со скрытыми дефектами объемного или плоского типа. Однако и в этом случае формы и размеры тест-образца не связаны с размерами и формой изделия, а размеры закладываемых дефектов также не привязаны к размерам опасных для эксплуатации дефектов (так называемым трещинам критического размера).

Размеры дефектов, закладываемых в стандартный образец в соответствии с требованиями ГОСТов, а в тест-образцы в соответствии со сложившейся практикой, во много раз (в десятки, а иногда и в сотни раз) меньше размеров опасных для эксплуатации дефектов, влияющих на надежность и безопасность эксплуатации изделия.

По существу, закладываемые в образцы дефекты нацеливают разработчиков средств и методов контроля на повышение чувствительности средств и методов контроля, однако важно, чтобы характеристики НК имели высокие показатели не только по чувствительности контроля, но также по достоверности (выявляемости) дефектов, важных для качества, надежности и безопасности.

Технический результат состоит в том, что тест-образец позволяет произвести дифференцированную оценку характеристик неразрушающего контроля в трех областях дефектов, а именно важных для качества изготовления, важных для надежности и важных для безопасности эксплуатации изделия, что позволит:

- Разработчикам средств и методов НК дифферинцированно делать разработки: а) для повышения качества изделия во время их изготовления; б) для обеспечения надежности и безопасности изделий во время их эксплуатации;

- Пользователям средств и методов контроля отбирать такие средства и методы, которые наилучшим образом обеспечивают решение стоящих перед ними задач: контроль качества изготовления или обеспечение надежности и безопасности изделия во время эксплуатации;

- Организаторам НК провести аттестацию квалификации операторов НК с учетом особенностей конкретных изделий и стоящих перед контролерами задач.

Технический результат достигается тем, что: для конкретного изделия определяют место наиболее вероятного возникновения технологических и/или эксплуатационных дефектов; с учетом реальных эксплуатационных нагрузок и условий определяют для изделия методами механики разрушения несплошности:

- критических размеров,

- допустимых в эксплуатации размеров,

а также по действующим нормативным документам и/или ТУ на изготовление

- допустимые размеры несплошностей при изготовлении (нормы дефектов изделия);

изготавливается тест-образец по форме и в масштабе примерно 1:1 к изделию или его наиболее ответственной части (наиболее ответственная часть изделия - это та часть изделия, в которой наиболее вероятно возникновение дефектов (сварные швы, места максимальных эксплуатационных воздействий и т.п. или разрушение которых представляет опасность), тест-образец выполняют из того же материала и по той же технологии, что и изделие (выполнение тест-образца в большем или меньшем масштабе приведет к искажению результатов, также как и выполнение его из материала, отличного от материала изделия); в тест-образцы закладывают искусственные дефекты трех типов:

- дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров дефектов допустимых при эксплуатации, до размеров критических для изделия в режиме эксплуатации дефектов,

- дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров, допустимых при изготовлении дефектов, до размеров дефектов, допустимых при эксплуатации,

- дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров, минимальных доступных для выявления дефектов, до размеров дефектов, допустимых при изготовлении (при этом допустимо, чтобы верхняя граница интервала превышала размеры дефектов, допустимых при изготовлении),

при этом первые два типа дефектов (несплошностей) должны имитировать дефекты эксплуатационной природы, а третьего типа - технологической (эксплуатационные дефекты - дефекты, которые могут развиться от технологических дефектов или зародиться и развиться под действием эксплуатационных нагрузок (трещины усталости, трещины коррозионного растрескивания под напряжением и т.п.), технологические дефекты - это дефекты, возникновение которых связано с особенностями технологии изготовления или монтажа (непровары, несплавления, поры и т.п.)). При этом возможна закладка различного сочетания типов дефектов (одного, любых двух, трех), при необходимости, возможно также изготовление различного числа образцов, в каждом из которых будет заложен один тип дефектов или их различное сочетание.

Все заложенные дефекты должны быть скрытыми от операторов НК, т.е. быть внутренними (подповерхностными) или, если дефект поверхностный, располагаться в месте, недоступном для визуального обнаружения (или иметь размеры, которые невозможно зафиксировать визуально).

Также следует отметить, что дефекты располагают в образце случайным образом, например нумеруя их и пользуясь таблицами случайных чисел.

Минимальное допустимое расстояние между дефектами определяют исходя из условия существования одиночных дефектов (если закладываются одиночные дефекты) или меньше - для групповых трещин (условия взаимного влияния известны, например, Методические рекомендации МР 108.7-86, М., ЦНИИТМАШ, 1986).

Число дефектов каждого типа должно быть достаточным для статистической обработки результатов, например, не менее 9 шт. (при меньшем количестве результаты менее достоверны).

Т.о. тест-образец, с помощью которого достигается технический результат, выполнен в форме изделия или наиболее ответственной его части, из того же материала и по той же технологии, что и изделие. При этом тест образец содержит одну или более из трех групп расположенных случайным образом дефектов (если дефекты располагать не случайным образом, то это даст возможность оператору предсказывать тип и размеры обнаруженных дефектов в зависимости от их расположения в образце):

- дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров дефектов, допустимых при эксплуатации, до размеров критических для изделия в режиме эксплуатации дефектов,

- дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров, допустимых при изготовлении дефектов, до размеров дефектов, допустимых при эксплуатации,

- дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров минимальных доступных для выявления дефектов до размеров дефектов, допустимых при изготовлении (при этом допустимо, чтобы верхняя граница интервала превышала размеры дефектов, допустимых при изготовлении),

при этом первые два типа дефектов (несплошностей) имитируют дефекты эксплуатационной природы, а третьего типа - технологической.

Надо отметить, что дефекты, определяющие качество, - это дефекты, размеры которых находятся в интервале от размеров, минимальных доступных для выявления дефектов (поискового) до размеров дефектов, допустимых при изготовлении и выше; дефекты, определяющие надежность - это дефекты, размеры которых находятся в интервале от браковочного при изготовлении до допустимого при эксплуатации и выше; дефекты, определяющие безопасность, - от допустимых при эксплуатации до критических размеров и выше. (Любой дефект консервативно можно смоделировать трещиной, а любую трещину можно описать эллипсом с полуосями: короткой а и длинной с.)

Возможны различные варианты закладки дефектов в тест-образец:

В тест-образец закладывают дефекты в виде эллипсов, а соотношение осей эллипса принимают исходя из условия максимальной скорости роста дефекта в эксплуатационном поле напряжений;

В тест-образец закладывают дефекты в виде эллипсов, при этом соотношение осей эллипса принимают произвольное, а в качестве характеризующей размер дефекта величины принимают площадь плоскостного дефекта или площадь проекции объемного дефекта на плоскость вероятного развития дефекта;

В тест-образец закладывают дефекты в виде эллипсов, при этом количество дефектов и соотношение осей эллипса выбирают с использованием математических методов планирования эксперимента исходя из условия минимизации числа закладываемых дефектов (К. Дэниел. Применение статистики в промышленном эксперименте. - М.: “Мир”, 1979).

В случае, если закладываемые в тест-образец дефекты не имеют форму эллипса, то их схематизируют эллипсами.

Изобретение проиллюстрировано чертежами:

Фиг.1. Схематическое изображение трещины в трубопроводе.

Фиг.2. Совокупность трещин, важных для качества изготовления изделия, надежности и безопасности его эксплуатации;

Рассмотрим конкретный пример выполнения тест-образца:

1. Изделие: главный циркуляционный трубопровод реакторной установки, используемых на атомных электростанциях.

2. Характеристики изделия: сталь типа 22К с пределом текучести=320 МПа, плакированная с внутренней стороны трубопровода нержавеющей сталью аустенитного класса; сварные швы расположены как поперек оси трубопровода, так и вдоль оси; толщина стенки по основному металлу трубопровода S=34 мм; внутренний диаметр трубопровода D=800 мм.

3. Условия эксплуатации изделия: температура рабочая 290°С; давление рабочее 80 кг/см²; назначенный срок службы 30 лет.

4. Нормы дефектов: на стадии изготовления (нормы качества) допускается скрытая несплошность диаметром до 2.3 мм (эквивалентная площадь дефекта при ультразвуковом контроле - 4 мм² )(кривая 1 на фиг.2 ((Любой дефект консервативно можно смоделировать трещиной, а любую трещину можно описать эллипсом с полуосями: короткой а и длинной с, фиг.1; координаты фиг.2 представляют собой размеры трещин, S - толщина стенки трубопровода)), допустимые в эксплуатации дефекты по нормативной методике М-02-91 представлены на фиг.2 (кривая 2); критические дефекты (определяются по методике М-02-91), также представлены на фиг.2 (кривая 3).

5. Определяют размеры и число дефектов, которые надо заложить в тест-образец. Число дефектов каждого типа должно быть не менее 9 шт.

В данном случае (см. таблицу):

6. Каждому дефекту из предыдущей таблицы присваивают порядковый номер.

7. Номера дефектов расставляют в последовательности, в соответствии с таблицей случайных чисел.

8. Определяют минимальное допустимое расстояние между дефектами исходя из условия существования одиночных дефектов (например, по рекомендациям МР 108.7-86, М., ЦНИИТМАШ, 1986 г.).

9. Определяют минимально допустимое расстояние от поверхности изделия (х) для каждого подповерхностного дефекта х≥а/9.

10. Определяют минимальную протяженность L сварных швов, в которых будут размещены все дефекты по в формуле: L=yдвоенная суммарная протяженность всех дефектов.

L≥2(2,3·9+20·9+60·9+80·9+60·9+80·9+120·9)=7600,4.

Периметр поперечного сварного шва равен L_сш =πD=3.14800=2512 мм.

Количество поперечных сварных швов в тест-образце, в которых можно разместить все 63 дефекта (несплошности)

т.е. для размещения всех дефектов тест-образец должен иметь три сварных шва.

11. Проводят закладку дефектов в тест-образец одним из известных способов (например, описанных в SU 1420519 А1, 31.01.1986).

При необходимости изготавливаются тест-образцы в количестве не менее трех штук, в первый из которых закладывают дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров дефектов, допустимых при эксплуатации, до размеров критических для изделия в режиме эксплуатации дефектов; во второй тест-образец закладывают дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров, допустимых при изготовлении дефектов, до размеров дефектов, допустимых при эксплуатации; и в третий тест-образец закладывают дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров, минимальных доступных для выявления дефектов, до размеров дефектов, допустимых при изготовлении, или различные сочетания указанных дефектов.

Формула изобретения

1. Тест-образец для неразрушающего контроля, предназначенный для определения характеристик неразрушающего контроля несплошностей в материале изделия, влияющих на качество изготовления, надежность и безопасность эксплуатации изделия, содержащий расположенные случайным образом дефекты, отличающийся тем, что тест-образец изготавливают в форме изделия или его наиболее ответственной части из того же материала и по той же технологии, что и изделие, при этом тест-образец содержит одну или более группу из трех групп дефектов: дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров дефектов, допустимых при эксплуатации, до размеров критических для изделия в режиме эксплуатации дефектов; дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров, допустимых при изготовлении дефектов, до размеров дефектов, допустимых при эксплуатации; дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров минимальных, доступных для выявления дефектов, до размеров дефектов, допустимых при изготовлении (допустимо, чтобы верхняя граница интервала превышала размеры дефектов, допустимых при изготовлении), при этом первые два типа дефектов имитируют дефекты эксплуатационной природы, а третьего типа - технологической.

2. Тест-образец по п.1, отличающийся тем, что в тест-образец закладывают дефекты в форме эллипсов, а соотношение осей эллипса принимают, исходя из условия максимальной скорости роста дефекта в эксплуатационном поле напряжений.

3. Тест-образец по п.1, отличающийся тем, что в тест-образец закладывают дефекты в форме эллипсов, при этом соотношение осей эллипса принимают произвольное, а в качестве характеризующей размер дефекта величины принимают площадь плоскостного дефекта или площадь проекции объемного дефекта на плоскость вероятного развития дефекта.

4. Тест-образец по п.1, отличающийся тем, что в тест-образец закладывают дефекты в форме эллипсов, при этом количество дефектов и соотношение осей эллипса выбирают с использованием математических методов планирования эксперимента, исходя из условия минимизации числа закладываемых дефектов.

5. Тест-образец по п.1, отличающийся тем, что в случае, если закладываемые в тест-образец дефекты не имеют форму эллипса, то их схематизируют плоскими дефектами, имеющими форму эллипсов.

РИСУНКИ