1. Онлайн-экспресс-диагностика качества сварки.
1.1 Контроль подачи: При поступлении стальной полосы в установку для формовки сварных труб проводится контроль ее размеров и качества кромок, чтобы убедиться, что ширина, толщина стенки и направление подачи соответствуют технологическим требованиям. Как правило, для быстрого измерения ширины и толщины стенки используются цифровые штангенциркули, цифровые микрометры для измерения толщины стенок и рулетки, а качество кромок быстро определяется с помощью сравнительных таблиц или специальных инструментов. Как правило, частота проверок определяется в зависимости от номера печи или номера объема, а также измеряются и регистрируются верхняя и нижняя части полосы. Если позволяют условия, необходимо также проверять кромки стальной полосы, чтобы убедиться в отсутствии дефектов, таких как расслоение или трещины, на стальной полосе и ее обработанных кромках. В то же время необходимо предотвращать механическое повреждение кромок стальной полосы при транспортировке сырья с обработанными кромками на линию производства сварных труб.
1.2 Контроль качества формовки: Ключевым моментом при формовке листового металла и полосы является предотвращение чрезмерного растягивающего напряжения на кромке полосы во избежание образования волнообразных изгибов. К соответствующим пунктам контроля при установке и вводе в эксплуатацию формовочного узла относятся быстрая проверка и регистрация размеров и зазоров формовочных, чистовых и калибровочных роликов, параметров окружности полосы, загиба кромки полосы, угла сварки, метода стыковки кромки листа, величины экструзии и т. д. Для быстрого измерения и обеспечения соответствия каждого параметра контроля требуемым параметрам производственного процесса часто используются цифровые штангенциркули, угломеры, щупы, рулетки и соответствующие специальные инструменты.
1.3 Предварительный контроль перед сваркой: После регулировки и регистрации различных параметров формовочного узла, предварительный контроль перед сваркой в основном определяет характеристики и положение внутренних и внешних резцов для удаления заусенцев, измерительных приборов и датчиков, состояние формовочной жидкости, значение давления воздуха и другие факторы окружающей среды для соответствия требованиям запуска, определенным технологическими спецификациями. Соответствующие измерения в основном основаны на опыте оператора, дополненном рулетками или специальными инструментами, и проводятся быстро и регистрируются.
1.4 Контроль в процессе сварки: Во время сварки следует сосредоточиться на значениях основных параметров, таких как мощность сварки, сварочный ток, напряжение и скорость сварки. Как правило, они считываются и записываются непосредственно соответствующими датчиками или вспомогательными приборами в установке. В соответствии с соответствующими рабочими процедурами достаточно убедиться, что основные параметры сварки соответствуют требованиям технологической спецификации.
1.5 Послесварочный контроль: Послесварочный контроль должен учитывать такие явления сварки, как состояние сварочной искры и морфология заусенцев после сварки. Как правило, ключевыми элементами контроля являются цвет сварного шва, состояние искры, морфология внутренних и внешних заусенцев, цвет горячей зоны и изменение толщины стенки на экструзионном ролике во время сварки. Он в основном основан на фактическом производственном опыте оператора, а также на визуальном наблюдении и дополнении соответствующими сравнительными картами для быстрого измерения и регистрации, а также обеспечения соответствия соответствующих параметров требованиям технологической спецификации.
1.6 Металлографический контроль: По сравнению с другими этапами контроля, металлографический контроль сложно проводить на месте, как правило, он занимает много времени и напрямую влияет на эффективность производства. Поэтому оптимизация процесса металлографического контроля, повышение эффективности контроля и обеспечение быстрой оценки имеют большое практическое значение.
1.6.1 Оптимизация точек отбора проб: При выборе точек отбора проб обычно используются отбор проб готовой трубы, отбор проб с помощью летающей пилы и отбор проб перед калибровкой. Учитывая, что охлаждение и калибровка мало влияют на качество сварного шва, рекомендуется проводить отбор проб до калибровки. Что касается методов отбора проб, обычно используются газовая резка, металлорезка или ручные шлифовальные круги. Из-за небольшого пространства для отбора проб перед калибровкой рекомендуется использовать электрические шлифовальные круги для нарезки образцов. Для толстостенных труб эффективность газовой резки выше, и каждая компания может также разработать соответствующие специальные инструменты для повышения эффективности отбора проб. Что касается размера образцов, то для уменьшения площади контроля и повышения эффективности подготовки образцов, при условии обеспечения целостности сварного шва, размер образца обычно составляет 20 мм × 20 мм и более. При использовании вертикальных микроскопов при отборе проб поверхность контроля должна быть максимально параллельна противоположной стороне для облегчения фокусировки измерения.
1.6.2 Оптимизация подготовки образцов: Процесс подготовки образцов обычно включает ручную шлифовку и полировку металлографических образцов. Поскольку твердость большинства сварных труб низкая, для шлифовки водой можно использовать наждачную бумагу с зернистостью 60, 200, 400 и 600, затем для грубой полировки с целью удаления видимых царапин используется холст с алмазной крошкой 3,5 мкм, а для тонкой полировки — шерстяная полировальная ткань, смоченная водой или спиртом. После получения чистой и блестящей поверхности для осмотра ее непосредственно высушивают горячим воздухом из фена. При наличии необходимого оборудования, надлежащей подготовке наждачной бумаги и других материалов, а также удобном соединении процессов, подготовка образца может быть завершена в течение 5 минут.
1.6.3 Оптимизация процесса коррозии: Металлографический контроль сварного шва в основном направлен на определение ширины центра и угла обтекаемости линии сплавления в зоне сварки. На практике пересыщенный водный раствор пикриновой кислоты нагревают примерно до 70 °C и подвергают коррозии до полного исчезновения света, после чего вынимают. После удаления пятен с поверхности коррозии впитывающей ватой в потоке воды, раствор промывают спиртом и высушивают горячим воздухом из фена. Для повышения эффективности приготовления пикриновую кислоту можно налить в большой стакан, добавить воду и немного моющего средства или жидкого мыла (в качестве поверхностно-активного вещества) и равномерно перемешать до получения пересыщенного водного раствора при комнатной температуре (с явным кристаллическим осадком на дне) и поместить в емкость для использования. При фактическом использовании, после перемешивания и поднятия осадка на дне, суспензию переливают в небольшой стакан для нагревания и могут быть использованы. Для повышения эффективности коррозии коррозионный раствор можно предварительно нагреть до заданной температуры в соответствии со сроками поставки образца перед испытанием и поддерживать в теплом состоянии до использования. Если необходимо дополнительно ускорить коррозию, температуру нагрева можно повысить примерно до 85°C. Квалифицированный специалист может завершить процесс коррозии в течение 1 минуты. Если требуется измерение структуры и размера зерен, для ускорения коррозии можно также использовать 4%-ный раствор азотной кислоты в спирте.
1.6.4 Оптимизация процесса контроля: Металлографический контроль включает в себя контроль линий сплавления, контроль линий тока, контроль морфологии барабана сужения, металлографическую организацию и оценку полосчатой организации основного материала и зоны термического воздействия, а также оценку размера зерна. При этом контроль линий сплавления включает в себя наличие включений в линиях сплавления, внутреннюю, среднюю и внешнюю ширину, перекос линий сплавления и т. д.; контроль линий тока включает в себя верхние, нижние, левые и правые углы линий тока, экстремальные значения углов линий тока, отклонение центра линий тока, крюкообразный рисунок, двойные пики линий тока и т. д.; контроль морфологии барабана сужения включает в себя внутреннюю, среднюю и внешнюю ширину, допуск на заусенцы, смещение и т. д. Морфология барабана сужения и линии сплавления могут характеризовать характеристики энергии сварки и давления экструзии, в то время как форма барабана сужения также связана с толщиной стальной полосы, состоянием кромки, периодичностью сварки и т. д., и после коррозии трудно точно определить границы измерения, что приводит к ошибкам измерения. Металлографическая структура и полосчатость основного материала, размер зерна основного материала и т.д. проверяются при приемке поступающего сырья и могут также использоваться в качестве эталонных параметров при онлайн-контроле сварных швов. Для повышения эффективности контроля необходимо оптимизировать соответствующие параметры контроля в соответствии с требованиями к продукции. Рекомендуется уделять приоритетное внимание проверке линий сплавления и морфологии обтекания, особенно двум ключевым показателям: ширине центра линии сплавления и углу обтекания. Под металлографическим микроскопом углы обтекания в четырех направлениях (верхнее, нижнее, левое и правое) зоны сварного шва обычно измеряются на уровне 1/4 толщины стенки, а ширина центра линии сплавления измеряется при увеличении примерно в 100 раз. Для повышения эффективности контроля рекомендуется оснастить металлографический микроскоп соответствующим программным обеспечением для анализа и измерения, позволяющим быстро измерять длину и угол. Если параметр невозможно настроить, его можно измерить с помощью шкалы окуляра, или же можно распечатать изображение с фиксированным увеличением, а затем измерить его линейкой или измерительным инструментом. Измерение двух вышеуказанных основных параметров обычно занимает у экспериментатора около 1 минуты. Другие параметры также можно быстро измерить в соответствии с требованиями спецификации.
1.7. Проверка крупногабаритных образцов: На основании данных проверки мелкогабаритных образцов трубопровод дополнительно оптимизируется, и после корректировки соответствующих параметров и соответствия требованиям технологических спецификаций необходимо взять образец стальной трубы заданного размера для проведения испытаний. Испытания технологических характеристик включают в себя испытания на сплющивание, изгиб, расширение, скручивание, кручение, продольное давление, расширение, давление воды, внутреннее проходное испытание и т. д. Как правило, в соответствии со стандартами или требованиями заказчика, образцы отбираются и испытываются вблизи производственной линии согласно рабочим процедурам, и достаточно визуальной оценки.
1.8 Полный контроль качества: Все вышеупомянутые проверки проводятся в соответствии с выборочным контролем согласно соответствующим спецификациям или стандартам, поэтому неизбежны пропуски проверок. Для обеспечения качества готовых сварных труб особое внимание следует уделять применению технологий неразрушающего контроля в режиме реального времени. В производстве сварных труб наиболее распространенными методами неразрушающего контроля являются ультразвуковой контроль, вихретоковый контроль, магнитный контроль и радиоактивный контроль. Различные дефектоскопические приборы имеют комплексную систему обнаружения, а применение технологий цифрового управления и электронных компьютеров также обеспечивает надежность результатов испытаний. Инспекторам необходимо лишь убедиться в нормальной работе контрольно-измерительного оборудования в соответствии с соответствующими рабочими процедурами, контролировать стабильность качества сварки, исключить пропуски проверок и своевременно выявлять дефектные сварные трубы, не соответствующие стандартам.
2. Быстрая оценка и диагностика качества сварных швов в режиме реального времени.
2.1 Быстрая оценка и диагностика на начальном этапе настройки оборудования: Основные показатели оценки на начальном этапе настройки оборудования включают в себя размерные параметры (такие как размеры плит, труб, зазоры, объем экструзии, положение компонентов, высота и углы и т. д.), параметры, определяемые прибором (состояние формовочной жидкости, мощность, ток, напряжение и скорость и т. д.), и визуальные параметры (способы соединения плит и формы сварки и т. д.). Размерные параметры и параметры, определяемые прибором, можно оценить непосредственно, сравнивая измеренные значения с требуемым числовым диапазоном, заданным фактическими технологическими спецификациями. Визуальные параметры, как правило, требуют от оператора сравнения с соответствующими описаниями или эталонными чертежами в процессе обработки и проведения быстрой оценки и диагностики на основе фактического опыта.
2.1.1 Быстрая оценка и диагностика сварочных искр: Как правило, состояние сварки без большого количества искр и без потемнения является нормальным. Потемнение может быть диагностировано как слишком низкая мощность сварки или слишком высокая скорость сварки; большое количество брызг может быть диагностировано как слишком высокая мощность сварки или слишком малое расстояние между точкой сварки и точкой экструзии или углом сварки.
2.1.2 Быстрая оценка и диагностика сварочных заусенцев: Цвет сварного шва сразу после экструзии — оранжево-красный. Красный и белый цвета указывают на слишком высокую температуру (мощность), а темно-красный — на слишком низкую. Прямой и равномерный сварной шов, большая ширина заусенцев, малая высота, блестящая и гладкая поверхность, а также выпуклые точки с небольшими разрывами на линии — признаки умеренной температуры и экструзии. По сходству размеров заусенцев, выступающих внутри и снаружи сварного шва, можно судить о равномерности нагрева кромки материала. Если внешний выступ сварного шва толще, температура нагрева внешней кромки выше, чем внутренней; наоборот, температура внутренней кромки выше. Если расплавленный материал, выдавливаемый наружным заусенцем, не находится посередине, или внутренний заусенец периодически раскалывается или трескается, а положение инструмента нормальное, это может свидетельствовать о неправильной обработке кромки пластинчатого соединения.
2.1.3 Быстрая оценка и диагностика цвета зоны термического воздействия: После удаления наружных заусенцев по обеим сторонам зоны термического воздействия образуется четкая и непрерывная тонкая прямая линия синего цвета. Критерием оценки является постепенное обесцвечивание цвета в области между двумя линиями и равномерность осевого распределения. Если цвет зоны термического воздействия равномерно синий, температура сварки слишком высокая; если цвет светлее, температура сварки слишком низкая. Если после удаления заусенцев изменяется ширина или форма наружного сварного шва, можно сделать вывод о неправильном соединении пластины по краю.
2.2 Быстрая оценка и диагностика результатов анализа небольших образцов:
2.2.1 Быстрая оценка и диагностика ширины сварного шва: В настоящее время в разных странах отсутствует единое регулирование контроля ширины сварного шва. Существующие стандарты, как правило, являются внутренними стандартами контроля каждого предприятия. Например, японская компания Nippon Steel устанавливает ширину сварного шва в диапазоне 0,02–0,2 мм, японская Kawasaki – 0,07–0,13 мм, немецкая – 0,02–0,12 мм, а южнокорейская PSP – 0,05–0,3 мм. В нашей стране в отрасли производства сварных труб когда-то считали, что наиболее целесообразным является контроль ширины сварного шва в диапазоне 0,02–0,11 мм. В некоторых источниках также предлагалось установить стандарт ширины сварного шва в виде: fn = 0,02–0,14 мм, f0 ≈ fi = 1,3–3fn; Предупреждающее значение: fn=0,01-0,02 мм или fn=0,14-0,17 мм, f0≈fi=3-4fn; запрещенное значение: fn＜0,01 мм или fn＞0,17 мм, f0≈fi＞4fn. Стандарт оценки отклонения или деформации линии сплавления составляет S≤t/10. Как правило, не допускается, чтобы длина отдельного включения в области линии сплавления составляла ≥0,05t, а включения не допускаются в 15% площади, прилегающей к внутренней и внешней поверхностям. Конкретные стандарты приемки могут быть сформулированы каждым предприятием после обсуждения и анализа на основе собственной производственной практики. Форма линии сплавления тесно связана с такими параметрами, как энергия сварки, величина силы экструзии при сварке и скорость сварки, и является важным показателем качества сварного шва.
Негативные последствия Толстая линия сплавления Слишком высокая температура сварки и увеличение обезуглероживания поверхности металла. В большинстве случаев это вызвано недостаточным давлением экструзии. В центре линии сплавления часто образуются явные серые пятна или оксидные включения. Плохая форма Причина диагностики Тонкая линия сплавления Слишком большое давление экструзии, и расплавленный металл выдавливается чрезмерно. Сварной шов склонен к холодной сварке и разрушению при испытании на сплющивание. Неправильная линия сплавления Сильно несбалансированное давление экструзии Наличие линий сплавления или S-образных линий сплавления, наклоненных в разных направлениях, сложная термическая деформация и высокое внутреннее напряжение. Наличие оксидных включений или серых пятен в линии сплавления. Недостаточная параллельность кромки пластины или слишком малое давление экструзии, из-за чего окисленный слой металла на кромке пластины не может быть эффективно выдавлен. Серые пятна или оксидные включения часто становятся источником трещин при сварке.
2.2.2 Быстрая оценка и диагностика линии тока сварки: Линия тока сварки является наиболее важной металлографической характеристикой при оценке качества сварного шва. Это особая форма кристаллической структуры, образующаяся в результате экструзии локально расплавленного или полурасплавленного металла в условиях сварки. Она является комплексным отражением таких факторов, как величина силы экструзии, направление экструзии, подводимая теплота и скорость сварки. В разных странах нет единого стандарта для угла подъема линий тока. В настоящее время каждая страна использует свой собственный внутренний стандарт контроля. Например, японская компания Nippon Steel устанавливает угол 40°–70°, Германия — 60° для внутренней стенки и 65° для внешней стенки, а соответствующая информация в моей стране указывает на угол 50°–70°. Существуют также документы, предлагающие, чтобы стандарт оценки угла линии тока следовал следующим принципам, а именно: стандартное значение: 45°–75°, крайняя разница ≤10°; Предупреждающее значение: 40°~45° или 75°~80°, крайняя разница 10°~15°; запрещенное значение: <40° или >85°, крайняя разница ≥15°. В зоне сварочного тока не должно быть крючкообразных расслоений, а расстояние между осевой линией тока и осевой линией толщины стенки должно быть
Если кромки пластины не параллельны, легко возникает смещение сварного шва, что приводит к однонаправленной потере металла и концентрации напряжений, а также увеличивает вероятность дефектов в сварном шве. Асимметрия угла обтекания. Плохая параллельность кромок пластины, легко могут образовываться положительные V-образные и перевернутые V-образные формы. Если кромки пластины не параллельны, распределение высокочастотного напряжения неравномерно, локальная разница температур значительна, и кромки пластины не могут быть синхронно соединены для обеспечения плотной сварки.
Когда край пластины приобретает положительную V-образную форму, внутренний край сварного шва должен соприкасаться с внешним краем, поэтому плотность тока на внутреннем крае должна быть больше, а температура нагрева также должна быть выше, чем на внешнем крае. При одинаковых условиях давления экструзии угол подъема металлических линий тока на внутренней стенке, которая соприкасается первой, больше, в то время как угол подъема металлических линий тока на внешней стенке меньше, а в тяжелых случаях линии тока даже не отображаются.
Напротив, когда кромка пластины имеет форму перевернутой буквы «V», внешний заусенец больше внутреннего, а угол подъема металлической линии значительно больше, чем у внутренней стенки свариваемой трубы. Неправильная параллельность кромки пластины может привести к изгибу прокатанной пластины, что облегчает образование волн и увеличивает склонность к появлению серых пятен. В то же время, сварной шов может сместиться во время формовки и продолжиться до точки сварки, что приведет к затвердевающему металлу сварного шва или его растрескиванию.
2.2.3 Экспресс-оценка и диагностика ширины барабана и других элементов: Ширина барабана зависит от температуры сварки, давления экструзии, толщины стальной полосы, обрезки стальной полосы, цикла сварки и т. д. и может использоваться в качестве эталонного показателя для оценки качества сварного шва. В одной из статей предлагается, что идеальная форма барабана – это ширина в центре hn = (1/4~1/3) t, а ширина внутренней и внешней стенок h0≈hi≈(1,5~2,2)hn. Аналогично, каждое предприятие, занимающееся сваркой труб, может самостоятельно определить, следует ли включать этот параметр в содержание оценки или уточнить область оценки, исходя из особенностей своего производства.
2.3 Быстрая оценка и диагностика на этапах контроля больших образцов и всей линии: Контроль больших образцов и контроль всей линии, как правило, проводятся в соответствии со стандартами контроля, указанными в технических требованиях к продукту. Оператор может быстро завершить соответствующую оценку и диагностику путем визуального осмотра или регистрации соответствующих данных контроля. В центре внимания неразрушающего контроля и диагностики на этапе контроля всей линии находится калибровка дефектов и стандартизированная работа оборудования. Если на этих двух этапах обнаруживаются проблемы с качеством, следует обратиться в соответствующие отделы, такие как проектный, технологический и отдел качества, для всестороннего анализа причин дефектов. При необходимости следует всесторонне рассмотреть возможные проблемы на этапах проектирования, таких как сырье, литье и сварка, и провести анализ первопричин в сочетании с фактическим производством. Для устранения дефектов качества, которые могут возникнуть на этом этапе, следует принять различные меры, включая оптимизацию конструкции и оптимизацию процесса.
3. Интеграция, оптимизация и перспективы структуры системы.
Система оперативной онлайн-оценки и диагностики качества сварных швов высокочастотной прямошовной сварки труб может быть разделена на четыре этапа: предварительная оценка и диагностика с помощью настройки оборудования, оценка и диагностика на малых образцах, оценка и диагностика на больших образцах и оценка и диагностика всей линии. На этапе предварительной настройки оборудования обеспечивается соответствие значений каждой контрольной точки процесса требованиям спецификации; на этапе оценки на малых образцах дополнительно оптимизируются данные настройки оборудования на основе данных металлографического анализа. Если данные проверки на малых образцах после предварительной настройки оборудования соответствуют требованиям спецификации, можно сразу начинать серийное производство. В противном случае, выполняется дальнейшая тонкая настройка в пределах диапазона спецификации предварительной настройки оборудования до тех пор, пока требования не будут выполнены; этап оценки на больших образцах фокусируется на проверке таких параметров процесса, как прочность и ударная вязкость сварного шва. Если они не соответствуют соответствующим требованиям, после исключения случайных факторов необходимо провести всесторонний анализ причин на всех этапах проектирования, производства и испытаний, а также дополнить или улучшить соответствующее проектное оборудование или параметры процесса, чтобы обеспечить соответствие всех последующих этапов производства требованиям. Этап полного контроля качества на производственной линии в большей степени ориентирован на мониторинг качества сварного шва, предотвращение дефектов сварки, вызванных неопределенными факторами, а также на их маркировку и изоляцию для обеспечения соответствия качества всех сварных труб, покидающих завод.
В реальном производстве, как правило, только при первом изготовлении сварной трубы определенной спецификации на всех этапах проводится первоначальная, точная и повторная корректировка до достижения требуемых характеристик, после чего проводится тестирование и подтверждение качества на больших образцах, а также принимаются меры по контролю и мониторингу всей производственной линии для обеспечения качества сварного шва. С накоплением опыта реального производства, когда аналогичные или похожие трубы изготавливаются партиями, ранее зафиксированные контрольные данные фактически повторяются или имитируются, и корректировка оборудования часто может быть завершена за один этап. Последующие этапы — тестирование на малых и больших образцах, а также оценка всей линии — в большей степени предназначены для повторного подтверждения или мониторинга в реальном времени. Преимущества фактической корректировки и повышения эффективности производства становятся более очевидными.
На всех этапах оценки и диагностики, если применяются соответствующие методы работы, рекомендованные в данном исследовании, и осуществляется непрерывное совершенствование и оптимизация в сочетании с реальным производством, то корректировка соответствующих параметров продукции может быть выполнена упорядоченным, эффективным и удобным образом, обеспечивая качество сварных швов в режиме реального времени. При использовании соответствующих статистических данных или программных средств все параметры данных могут автоматически подсчитываться, анализироваться, оцениваться и диагностироваться непосредственно на интерфейсе управления производством трубопроводов, что дополнительно повышает эффективность обработки данных и обеспечивает научное руководство соответствующими операциями по настройке оборудования. В то же время, непрерывное накопление и совершенствование соответствующих параметров и опыта работы в системе оценки и диагностики на каждом этапе не только способствует стабильному повышению качества и эффективности производства трубопроводов, но и служит основой для последующего постепенного внедрения и применения автоматизированного производства в трубопроводах, способствуя дальнейшему повышению качества и эффективности производства.
Дата публикации: 12 марта 2025 г.