Публикации и статьи

Методология автоматизированного ультразвукового контроля сварных стыков рельсов.

А.А. Марков

Статья опубликована в журнале "Мир неразрушающего контроля" № 3 (33), сентябрь 2006, стр. 71-73

Кратко рассмотрены требования к автоматизации процесса ультразвукового контроля сварных стыков. Показано, что эффективное внедрение систем автоматизированного контроля возможно лишь при значительном повышении потребительских функций системы: производительности и достоверности контроля; упрощения процедуры контроля; добавления дополнительных функций. Рассмотрены функциональные возможности нового многоканального ультразвукового дефектоскопа МИГ УКС, предназначенного для контроля сварных стыков рельсов с получением документа контроля.

При ультразвуковом (у.з.) контроле сварных стыков листов ортотропных плит на строительстве моста «Тханг-Лонг» в г. Ханое (Вьетнам) [1] впервые был внедрен продольно-поперечный способ сканирования сварных швов, предложенный проф. А.К. Гурвичем [2]. Первоначально соблюдение параметров сканирования и механическое перемещение у.з. преобразователя осуществлялись с помощью устройства, реализованного нами на базе известной газорезательной машины «Микрон». Оператор мог находиться на краю листа и наблюдать за экраном дефектоскопа и процессом перемещения преобразователя (ПЭП), а все операции по сканированию, соблюдению параметров сканирования (переменные шаги по мере удаления ПЭП от оси шва) и даже отметка дефектного участка шва были автоматизированы и механизированы [3].

Казалось бы, операторы, которым до этого приходилось вручную сканировать десятки и сотни метров шва за смену под палящим солнцем, с энтузиазмом должны были внедрять эту установку. Однако, при любом удобном случае, по разным причинам они переходили на ручной контроль, оставляя установку в бездействии. Причин, по которым тормозилось внедрение установки, оказалось несколько: большой объем подготовительных работ (прокладка громоздкой направляющей, раскатка кабелей и т. п.); недостаточно высокая производительность (суммарное время контроля сварного шва снижалось незначительно – не более чем в два раза); дополнительные проблемы с техническим обслуживанием установки.

И только после разработки легкого и компактного устройства сканирования РУППС операторы полностью перешли на механизированный контроль, который оправдал их ожидания: производительность контроля возросла до 5 раз, при этом устройство практически не требовало дополнительных подготовительных операций [1]. Кроме того, за счет оптимального прижатия ПЭП их износ (а значит, и расход ПЭП) уменьшился до 10 раз.

Этот пример еще раз убедил автора в том, что процессу внедрения механизации и автоматизации любой технологической операции должен предшествовать тщательный анализ всех сопутствующих процедур, планируемых расходов и ожидаемых преимуществ внедряемой системы.

Вопросы автоматизации ультразвукового контроля, теперь уже рельсовых сварных стыков, встали весьма остро при массовом внедрении бесстыкового пути на Российских железных дорогах. За последние года протяженность бесстыкового пути ежегодно увеличивается на 3000 – 3200 км. К 2010 году количество сварных стыков рельсов, уложенных в путь, возрастет более чем в два раза и составит 5,2 млн. стыков.

В настоящее время ультразвуковой контроль электроконтактных сварных стыков производится портативными дефектоскопами ручными ПЭП с углом ввода α=50˚ [4]. При этом сканирование стыка выполняется вручную по всему периметру рельса в зоне сварки с двух сторон стыка с шагом сканирования 3 мм. Такая процедура контроля является весьма трудоемкой, следствием чего является низкая производительность работы (40 стыков в смену) [5], и значительное влияние субъективного фактора на результаты контроля.

В действующей технологии контроля сварных стыков портативными дефектоскопами не предусмотрена регистрации результатов контроля на протяжении всего процесса сканирования, как это сделано в регистраторах информации съемных дефектоскопов, вследствие чего невозможно оценить качество работы оператора в процессе контроля стыка. А внедрение регистрации сигналов контроля при сканировании только с одной поверхности катания при повышенной чувствительности контроля в соответствии с «Временными указаниями…» [6], утвержденными ОАО «РЖД» в декабре 2005 г., является временной мерой, направленной, в основном, на повышение технологической дисциплины операторов. Эту процедуру можно реализовать только на дефектоскопах нового поколения с возможностью регистрации сигналов на развертке типа В.

Перечисленные выше обстоятельства, а также то, что до 30 % изломов рельсов на железных дорогах ОАО «РЖД» в последнее время происходят из-за дефектов в сварных стыках, сделали актуальным вопрос о замене ручного контроля автоматизированным. При замене действующей технологии необходимо предусмотреть обязательное получение объективного документа контроля всего сечения сварного стыка и существенное (не менее 5 раз) повышение производительности контроля. Целесообразно также устранить некоторые ограничения в выявлении дефектов, в частности, отсутствие в действующей технологии гарантии обнаружения поперечных дефектов в головке рельса «…в зоне глубиной до 15 мм под поверхностью катания головки» [4].

Решению поставленной задачи традиционными способами мешает значительная загрязненность поверхностей шейки и перьев подошвы рельсов, лежащих в пути, что практически вряд ли позволит обеспечивать стабильный акустический контакт при сканировании всего периметра рельса в околошовной зоне путем перемещения ПЭП механизированным способом. Усложняют процесс сканирования и конструктивные элементы крепления рельсовой колеи к полотну пути.

В связи с тем, что контроль сварных стыков проводят обычно без закрытия движения поездов по участку, требуется предусмотреть возможность быстрого съема установки с рельсового пути. Весьма важными факторами являются также обеспечение точного позиционирования ПЭП относительно сечения сварного стыка и однозначная привязка проконтролированного стыка к путейской координате. При этом обслуживание системы не должно требовать высокой квалификации персонала.

С учетом вышеназванных особенностей при разработке новой установки было принято решение исключить перемещение ПЭП в околошовной зоне по поверхностям рельса, а озвучивание всего сечения сварного стыка осуществлять с помощью множества преобразователей, прижимаемых к поверхностям рельса на расчетных расстояниях от искомого сечения. Для гарантированного обнаружения различно ориентированных дефектов в сечении сварного стыка предусмотреть использование эхо, зеркального (тандем) и дельта методов у.з. контроля и сочетание этих методов.

Известно, что ряд дефектов обнаруживается весьма уверенно при озвучивании его плоскости под заданным углом с одной стороны и практически не формирует эхо или зеркально отраженные сигналы при озвучивании с другой. В связи с этим должна быть предусмотрена возможность озвучивания сечения сварного стыка с двух сторон. При этом весьма важно, чтобы эта процедура могла осуществляться без разворота преобразователей и самой установки.

Расчеты, выполненные программой «RAIL-3D» [7], позволили определить необходимое количество преобразователей и параметры зон временной селекции для каждого (или пары) ПЭП. Дальнейшие экспериментальные исследования на моделях и реальных дефектах дали возможность определить требуемые чувствительности дефектоскопических каналов. Причем было учтено, что ряд преобразователей, последовательно реализуя эхо- и зеркальный методы контроля, должны функционировать не только в разных режимах (излучение, прием или излучение + прием), но и обеспечивать отличающиеся чувствительности контроля в разных временных зонах.

Базируясь на результатах проведенных исследований, сотрудниками ОАО «Радиоавионика» разработан и изготовлен многоканальный дефектоскоп для контроля сварных стыков рельсов МИГ-УКС. Искательная система МИГ-УКС включает в себя 86 ультразвуковых ПЭП, размещенных в пяти блоках резонаторов (БР). Один из блоков располагается на поверхности катания головки рельса (БР1), два – на боковых поверхностях головки (БР2 и БР3) и два – на верхних поверхностях перьев подошвы (БР4 и БР5). Конструктивно дефектоскоп представляет собой однониточную тележку (рис. 1).

При движении тележки по рельсам от одного стыка к другому блоки резонаторов находятся в подвешенном состоянии, что практически исключает их механический износ (стирание). Дефектоскоп обеспечивает проверку стыка за две установки искательной системы на рельс. При этом производится озвучивание стыка сначала с одной стороны, а затем – с другой. Технология контроля не требует от оператора снятия или разворота дефектоскопной тележки в процессе контроля.

Требования к подготовке околошовных поверхностей рельса перед установкой блоков преобразователей МИГ –УКС не отличается от требований, предусмотренных действующей технологией и заключается в очистке поверхностей рельса и покрытии их трансформаторным маслом [4]. Более прогрессивным является применения «сухого» контакта путем использования в качестве промежуточного слоя между ПЭП и поверхностью рельса материала на основе гидрофильных полимеров [8].

Для однозначной привязки координат контролируемого стыка к рельсовому пути кроме номера стыка, водимого оператором с клавиатуры дефектоскопа, в память дефектоскопа автоматически заносится GPS координата рельсового стыка.

Для точного позиционирования тележки относительно центра сварного стыка она оснащена лазерными указателями. Оператор совмещает луч лазерного указателя с центром стыка и производит установку блоков резонаторов БР1, БР2 и БР3 на головку рельса. Установка всех трех блоков резонаторов производится путем нажатия и отпускания педали тележки. Для установки блоков резонаторов на подошву рельса предусмотрены отдельные ручки.

Весь процесс позиционирования и установки искательной системы на сварной стык может быть выполнен за 20 секунд. От оператора требуется всего лишь несколько раз нажать на кнопки дефектоскопа. Дефектоскоп в автоматическом режиме осуществляет озвучивание сечения сварного стыка всеми каналами, реализуя эхо, зеркальный и дельта методы контроля. При этом практически каждый участок сечения рельса проверяется несколькими каналами одновременно, что, во-первых, повышает вероятность обнаружения дефекта, и, во-вторых, – делает решение оператора о качестве стыка более обоснованным.

Перед проведением контроля также автоматически производится проверка акустического контакта каждого БР с поверхностью рельса. При отсутствии контакта на экран дефектоскопа выдается предупреждение и предлагается оператору устранить причину плохого акустического контакта.

Индикация результатов контроля производится на мнемоническом изображении сечения рельса. Если при контроле стыка были приняты сигналы, указывающие на возможные дефекты, область сечения рельса, в которой предполагается наличие дефекта, а также блок резонаторов, которым данный дефект обнаружен, отобразится красным цветом (рис. 2).

Схема прозвучивания стыка разработана таким образом, что делает возможным обнаружение дефектов различной формы и ориентации.

Процесс и результаты контроля каждого стыка сохраняются в памяти дефектоскопа в виде протоколов, которые передаются на персональный компьютер. Процесс передачи на компьютер не требует подключения к нему дополнительных коммутационных блоков.

Программа отображения протоколов дефектоскопа МИГ-УКС, прилагаемая к дефектоскопу, позволяет просматривать и распечатывать данные, содержащиеся в протоколах. Протоколы содержат подробную дефектоскопическую информацию по всем каналам, наличие акустического контакта под блоками резонаторов в момент контроля, а также заключение оператора о дефектности каждого стыка с указанием кодов дефектов.

Пользовательский интерфейс дефектоскопа МИГ-УКС построен таким образом, что не требует от оператора каких-либо специальных знаний в компьютерной области, что позволяет ему полностью сконцентрироваться на профессиональных задачах.

Помимо этого в протоколах сохраняется информация о техническом состоянии дефектоскопа, полученная на стадии самотестирования прибора, состояние настроек прибора (положение аттенюатора, значение ВРЧ и зон временной селекции по каждому каналу и т.п.). Эта информацию позволяет оценить техническое состояние прибора в момент контроля даже через значительный промежуток времени после его проведения, а также выявить возможные сбои в его работе.

В таблице приведены результаты выявления моделей дефектов в специальном образце рельса дефектоскопом МИГ-УКС. Видно, что некоторые модели (А1, Б2, В2, Г1, Г2 и Ж1), весьма сложно обнаруживающиеся и при ручном контроле, уверенно выявляются новым дефектоскопом, иногда одновременно несколькими каналами (методами).

Таблица

Характеристики сигналов от моделей дефектов при обнаружении их дефектоскопом МИГ-УКС

Результаты проверки дефектоскопа на реальных дефектах сварки также положительные (рис. 3).

Применение данного дефектоскопа повысит производительность контроля в 5 – 7 раз при одновременном повышении качества проверки за счет исключения субъективного "человеческого" фактора. На сетевом совещании начальников Служб пути и Центров диагностики, проходившем в июле текущего года в г. Старый Оскол (Юго-Восточная ж.д.) идеология и функциональные возможности нового прибора получила полную поддержку представителей дорог и руководства ОАО «РЖД».

Безусловно, внедрение многоканального дефектоскопа МИГ УКС для контроля сварных стыков рельсов позволит в будущем перейти на качественно новую технологию проверки стыков в пути с повышенной производительностью контроля. Однако отработка технологии контроля, существенно отличающейся от действующей, разработка соответствующих нормативных документов, доводка конструкции дефектоскопа до уровня, приемлемого для широкого внедрения, требует немалых временных затрат и усилий широкого круга специалистов.