Новый Универсальный шаблон специалиста неразрушающего контроля «TapiRUS», созданный в Научно-исследовательском институте интроскопии (ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр») для замены многочисленных шаблонов и приспособлений, используемых при визуальном и измерительном контроле (ВИК) качества сварных соединений, обеспечивает жесткие требования нормативных документов к погрешности измерения параметров сварных соединений и габаритных размеров обнаруженных дефектов.
Этот шаблон является новым и более точным средством измерения. Он снабжен полноценной методикой проведения измерения на всех этапах изготовления и эксплуатации сварных соединений. Шаблон позволяет производить с точностью, требуемой в нормативных документах, более 40 измерений, ряд из которых не доступны другим средствам измерения. Доступна онлайн-версия методики контроля и калькулятор для расчета ряда параметров, не подлежащих прямому измерению. Методика доступна для скачивания на сайте и работает как в ПК, так и в мобильных устройствах. Методика может быть использована в качестве учебного пособия при обучении специалистов в области сварки и ВИК.
Введение
Нормативные документы [1, 2, 3, 4] в области визуального и измерительного неразрушающего контроля (ВИК) устанавливают достаточно жесткие требования к допускаемой погрешности измерений [5], что обосновано строгими критериями отбраковки ответственных сварных соединений на объектах атомной промышленности [4], железнодорожного транспорта [6, 7], нефтегазового комплекса. Так, при измерении большинства геометрических параметров формы и дефектов сварных соединений погрешность не должна превышать 0,1 мм. К таким параметрам относятся: глубина подреза, смещение кромок, высота выпуклости и пр. 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 универсальные шаблоны, а погрешность измерений при ВИК 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, поэтому выполнение требований в части погрешности применяемых средств измерений и методик контроля является обязательным для обеспечения объективности ВИК.
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 сварщика УШС-3, Красовского, BridgeCam и др. являются устаревшими, поскольку на них нанесены шкалы с шагом 1 мм. Такие же шаблоны сварщика, как 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 большую часть задач специалиста неразрушающего контроля. Использование вышеперечисленных шаблонов предписывает и ряд отраслевых стандартов, в том числе и [8, 12], поскольку данные шаблоны сварщика приведены в ГОСТ Р ИСО 17637-2014 Контроль неразрушающий. Визуальный контроль соединений, выполненных сваркой плавлением [9]. Более того, в документации производителей и на сайтах поставщиков шаблонов импортного производства серий WG-1, BridgeCam, представленных на рынке средств НК, 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 не всегда вызывают одобрение 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 Лас-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
Конструктивно шаблон TapiRUS (рис. 1) выполнен из нержавеющей стали и состоит из основания с размещенными на нем подвижными элементами для установки шаблона и проведения измерений.
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.
Точность визуальной интерполяции положения указателя между делениями шкалы низка (около 1/3 деления), однако глаз может с гораздо большей точностью фиксировать точное совпадение двух рисок. Ошибка в регистрации такого совпадения составляет доли толщины риски, что при тонких рисках значительно меньше, чем вышеупомянутая 1/3 расстояния между самими рисками. Следует отметить, что при собранном шаблоне выполняется его высокоточная лазерная гравировка. Это полностью исключает возможность возникновения отклонения между основной шкалой и шкалой нониуса. Таким образом, разрешающая способность возрастает, что соответствует действующим нормативным документам на производство измерительного оборудования.
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.
