Диагностика состояния сварных соединений и конструкций

Г.А. Бигус, А.Л. Ремизов, А.А. Дерябин

Диагностика состояния  
сварных соединений и конструкций

Курс лекций

Учебное пособие

2-е издание, исправленное

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 620.179.17 
ББК 22.32 

 Б59 

 
 
 

 
    

 

Факультет «Машиностроительные технологии» 
Кафедра «Технологии сварки и диагностики» 

Рекомендовано Научнометодическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
 
Рецензенты:  
канд. техн. наук М.Е. Комов 
канд. техн. наук, доцент Ю.Ю. Инфимовский 
 
 
 
 
Бигус, Г. А.  
                               

ISBN 9785703851906 

Предлагаемое учебное пособие содержит описание физических основ и методов акустикоэмиссионного контроля и вибродиагностики опасных производственных объектов. Рассмотрены методики оценки технического состояния диагностируемых объектов. Приведены примеры составления заключения по экспертизе промышленной безопасности опасных производственных объектов и определения безопасных режимов их эксплуатации. 
Для студентов кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
 
УДК 620.179.17 
ББК 22.32 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

 
 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018 
 
 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019, 
 
    с изменениями 
 
 Оформление. Издательство  
ISBN 9785703851906 
    МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019 

 
Б59 

Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/47/book2034.html 

 

 
 

                 
                 Диагностика состояния сварных соединений и конструкций. Курс 
лекций : учебное пособие / Г. А. Бигус, А. Л. Ремизов, А. А. Дерябин. —  
2е изд., испр. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 
315, [5] с. : ил. 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Технический прогресс связан с необходимостью возведения и эксплуатации сложных и опасных объектов и технических средств для удовлетворения 
потребностей людей. К таким опасным объектам можно отнести атомные 
электростанции, аммиачнохолодильные установки, системы транспортировки нефти и газа, средства авиации и космонавтики. Аварии на подобных объектах приводят не только к материальным, но и к человеческим потерям. 

В частности, для предотвращения аварий и техногенных катастроф проводят диагностику состояния сварных соединений и конструкций, что позволяет 
оценить остаточный ресурс опасных производственных объектов. 

Диагностика опасных производственных объектов включает в себя 

комплекс работ: визуальный, измерительный, ультразвуковой, акустикоэмиссионный методы контроля и измерение механических характеристик, 
возможен также и радиационный контроль, т. е. этот комплекс может состоять из любого набора методов неразрушающего контроля. На основании 
работ отечественных и зарубежных ученых значительно усовершенствованы методы и оборудование для неразрушающего контроля. В результате 
появились ультразвуковые томографы, лазерные источники ультразвука, 
бесконтактные преобразователи, решены задачи дифракции ультразвуковых волн. Значительный вклад в развитие диагностики внесли отечественные ученые: С.Я. Соколов (в 1928 г. положил начало применению 
ультразвуковых методов), Н.П. Алешин, В.Г. Щербинский, И.Н. Ермолов, 
Д.Б. Дианов, В.Т. Бобров и многие другие. 

Цель предлагаемого учебного пособия — получение студентами теоретических знаний по проведению диагностических работ, акустикоэмиссионного метода контроля и вибродиагностики, освоение навыков разработки 
программ по экспертизе промышленной безопасности опасных производственных объектов и проведение оценки их состояния. 

Усвоение знаний оценивается письменным тестом по следующим критериям: максимальное число баллов 12, минимальное — 6, экзамен — 30.

Учебное пособие состоит из 26 лекций, усвоение изложенного в них материала позволит студентам самостоятельно выбирать схемы диагностирования 
конкретных объектов (магистральных трубопроводов, ресиверов, компрессорных станций и т. п.), разрабатывать методики неразрушающего контроля 
сварных соединений диагностируемых объектов, проводить практическую диагностику, оценивать размеры, форму дефектов, устанавливать номиналы 
диагностируемых параметров, составлять алгоритмы оценки фактического 
технического состояния диагностируемого объекта, овладеть расчетными методами определения безопасных режимов эксплуатации по результатам диагностики объектов, определять остаточный ресурс по результатам технического диагностирования. 

Оценки письменных работ: 
12–10 баллов — теоретическое содержание дисциплины освоено полностью, без пробелов, необходимые практические навыки работы с освоенным 
материалом сформированы; 

9–7 баллов — теоретическое содержание дисциплины освоено полностью, без пробелов, некоторые практические навыки работы с освоенным 
материалом сформированы недостаточно, некоторые виды заданий выполнены с ошибками; 

7–6 баллов — теоретическое содержание дисциплины освоено частично, но пробелы не носят существенного характера, необходимые практические навыки работы с освоенным материалом в основном сформированы, 
некоторые из выполненных заданий, возможно, содержат ошибки; 

5 баллов и менее — теоретическое содержание дисциплины не освоено, 

необходимые практические навыки работы не сформированы, дополнительная самостоятельная работа над материалом дисциплины не приведет к какомулибо значимому повышению качества выполнения учебных заданий. 

Экзаменационные оценки: 
24–30 баллов — теоретическое содержание дисциплины освоено полностью, без пробелов, необходимые практические навыки работы с освоенным 
материалом сформированы, все предусмотренные программой обучения 
учебные задания выполнены, качество их выполнения оценено числом баллов, близким к максимальному; 

17–23 балла — теоретическое содержание дисциплины освоено полностью, без пробелов, некоторые практические навыки работы с освоенным 
материалом сформированы недостаточно, все предусмотренные программой 
обучения учебные задания выполнены, качество выполнения ни одного из 
них не оценено минимальным числом баллов, некоторые виды заданий выполнены с ошибками; 

16–10 баллов — теоретическое содержание дисциплины освоено частично, но пробелы не носят существенного характера, необходимые практические 
навыки работы с освоенным материалом в основном сформированы, большинство предусмотренных программой обучения учебных заданий выполнено, некоторые из выполненных заданий, возможно, содержат ошибки; 

15 баллов и менее — теоретическое содержание дисциплины не освоено, необходимые практические навыки работы не сформированы, все выполненные учебные задания содержат грубые ошибки, дополнительная самостоятельная работа над материалом дисциплины не приведет к какомулибо значимому повышению качества выполнения учебных заданий.  

Баллы по письменным работам суммируются с результатами выполненного домашнего задания (максимальное число баллов 10). 

Общая оценка (в баллах) за курс выставляется по следующим критериям: 
отлично — 100–83; 
хорошо — 82–59; 
удовлетворительно — 58–45; 
неудовлетворительно — 44 балла и менее. 

5Для более качественного усвоения материала студентам рекомендуется 
проводить самостоятельную работу по следующему алгоритму: 
 перед лекционным занятием предварительно прочитать ту часть учебного пособия, которая будет освещена на лекции, выделив материал, вызывающий вопросы; 
 во время лекционного занятия задать вопросы преподавателю по выделенным материалам (темам), которые вызвали непонимание или требуют 
дополнительной информации; 
 после лекционного занятия ответить на контрольные вопросы, которые 
помещены  после каждой лекции, при необходимости воспользовавшись литературой, приведенной в учебном пособии; 
 если необходима дополнительная информация (для выполнения курсового проекта или расширения кругозора), задать вопросы преподавателю на 
следующей лекции; 
 в обязательном порядке необходимо учить определения и основные тезисы лекций; 
 для подготовки к письменным контрольным работам необходимо уметь 
уверенно отвечать на контрольные вопросы, при необходимости использовав 
литературу из приведенного списка. 

 
 

Перед освоением материала учебного пособия рекомендуется повторить 
информацию по ультразвуковым методам неразрушающего контроля, представленную в курсе лекций «Контроль качества сварных соединений», который читается в седьмом семестре. 
 
 

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Акустическая эмиссия — явление генерации волн напряжения (упругих 

волн) при локальной перестройке структуры исследуемых объектов. 

Акустический шум — случайный процесс, при его измерении используют 

такие же характеристики, как при измерении случайной вибрации. 

Алгоритм технического диагностирования (контроля технического состояния) (Algorythm of Technical Diagnosis) по ГОСТ 20911—89 — совокупность 
предписаний, определяющих последовательность действий при проведении 
диагностирования (контроля). 

Анализ критичности отказа — процедура, с помощью которой исследуют, 

оценивают и ранжируют по критичности возможные отказы, их последствия 
и причины возникновения. 

Безопасность — свойство системы при изготовлении и в случае нарушения работоспособного состояния во время эксплуатации не создавать угрозу 
для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды. 

Безотказность — свойство системы непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторой наработки. 

Вибрация — относительно малые перемещения твердого тела или его точек при механических колебаниях относительно положения равновесия. 

Виброакустическая диагностика — направление технической диагностики, 

основанное на использовании в качестве диагностических сигналов механических колебаний деталей и узлов, акустических колебаний в твердых, жидких и газообразных средах. 

Виброперемещение — перемещение точки или системы под действием 

вибрации. 

Виброскорость — скорость движения точки или системы под действием 

вибрации. 

Вибростенд — вибрационная испытательная или калибровочная машина, 

к рабочей платформе (вибростолу) которой крепятся изделия для вибрационных испытаний или датчики виброизмерительной аппаратуры, подвергаемой калибровке (тарированию) или поверке. 

Дефекты формы сварных швов — несоответствие конструктивных элементов сварных швов указанным в чертежах. 

Диагностическая модель — формализованное описание объекта, необходимое для решения задач диагностирования. 

Длительность импульса – промежуток времени между пересечениями передним и задним фронтами импульса выбранного порога, задаваемого значением порогового напряжения. 

Долговечность — свойство системы сохранять работоспособное состояние 

до наступления предельного состояния при установленном порядке технического обслуживания и ремонта. 

7Живучесть — свойство, характеризующее способность системы сохранять 

свою работоспособность (или восстанавливать в течение заданного времени) 
при внешних воздействиях, не предусмотренных условиями эксплуатации 
(превышающих установленные эксплуатационные уровни, например, при 
землетрясении, грозовых разрядах и т. п.). 

Исправность — состояние, при котором изделие соответствует всем требованиям, установленным нормативнотехнической документацией. 

Контролеспособность — свойство изделия обеспечивать достоверную оценку 

его технического состояния и раннее обнаружение неисправностей и отказов. 

Критерий отказа — признак или совокупность признаков нарушения работоспособного состояния объекта, установленных в нормативнотехнической 
или конструкторской документации. 

Критический элемент — элемент, отказ которого практически приводит к 

отказу системы (ее составной части) в целом. 

Критичность отказа — обобщенная характеристика отказа с учетом вероятности появления и значимости его последствий. 

Максимальная (пиковая) амплитуда — максимальное отклонение от нулевой точки или от положения равновесия. 

Математическая модель объекта диагностирования (детерминированная 

или вероятностная) — описание объекта в исправном и в неисправном его 
состояниях в виде формальных зависимостей между возможными воздействиями на объект и его реакциями на эти воздействия. 

Микрофон — электроакустический преобразователь, с помощью которого 

акустические колебания в воздушной среде преобразуются в электрический 
сигнал. 

Надежность — свойство системы сохранять во времени в установленных 

пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортировки. 

Наработка — продолжительность работы системы, выраженная в единицах времени, циклах переключения или других единицах в зависимости от 
вида и назначения системы. 

Начало импульса — пересечение порога уровня дискриминации передним 

фронтом волны. 

Невосстанавливаемый объект — объект, восстановление которого после 

отказа непосредственно во время функционирования считается полностью 
невозможным. 

Неразрушающий контроль — комплекс мероприятий, направленных на 

определение степени поврежденности и оценки оставшегося ресурса работы 
технических средств без вывода этих средств из эксплуатации и нарушения 
их целостности. 

Нестационарные вибросигналы — сигналы, у которых амплитудные и частотные параметры изменяются во времени. 

Обеспечение надежности — это комплекс взаимосвязанных организационнотехнических мероприятий, проводимых на всех стадиях жизненного 

цикла технической системы, направленных на достижение и сохранение заданных требований к надежности. 

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния системы. 

Отказоустойчивость — свойство системы сохранять состояние работоспособности при отказах элементов. 

Переходной вибросигнал — сигнал, начинающийся и заканчивающийся 

на нулевом уровне и продолжающийся в течение конечного времени. 

Периодическая вибрация — колебательный процесс, в котором значения 

колебательной величины повторяются через одинаковые промежутки времени в той же последовательности. 

Показатели живучести системы — количественные оценки возможности 

сохранения системой состояния способности после воздействия на ее элементы повреждающих факторов природных катаклизмов или аварийной ситуации. 

Показатель надежности — количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность изделия. 

Предельное состояние — состояние системы, при котором его дальнейшая 

эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его 
работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. 

Работоспособное состояние — состояние системы, при котором значения 

всех параметров, характеризующих способность системы выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативнотехнической и конструкторской документации. 

Ремонтопригодность — свойство системы, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния 
путем технического обслуживания и ремонта. 

Ресурсный отказ — отказ, в результате которого объект достигает предельного состояния. 

Система — совокупность совместно действующих элементов и связей 

между ними, предназначенных для выполнения определенных заданных 
функций. 

Сохраняемость — свойство системы сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции при хранении и транспортировке. 

Техническая диагностика — область знаний, охватывающая теорию, методы и средства, определяющие техническое состояние объекта. 

Экспертиза промышленной безопасности — оценка соответствия объекта 

экспертизы предъявляемым к нему требованиям промышленной безопасности, результатом которой является заключение. 

Эффективность — свойство системы создавать некоторый полезный результат (выходной эффект) в течение периода эксплуатации при определенных условиях. 
 
 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АЧХ  
— амплитудночастотная характеристика 

АЭ  
— акустическая эмиссия 

БПФ  
— быстрое преобразование Фурье 

ВГФ  
— верхняя граница фильтра 

ВИП  
— виброизмерительный преобразователь 

ДПФ  
— дискретное преобразование Фурье 

ИКД  
— интервал контроля длительности 

ИКК  
— интервал контроля конца импульса 

ИКП  
— интервал контроля пика 

ИП  
— измерительный преобразователь 

КД  
— конструкторская документация 

МКЭ  
— метод конечных элементов 

МПД  
— магнитопорошковая дефектоскопия 

НГФ  
— нижняя граница фильтра 

НК  
— неразрушающий контроль 

НТД  
— нормативнотехническая документация 

ПАЭ  
— преобразователь акустической эмиссии 

ПОН  
— программа обеспечения надежности 

ППС  
— приемопередающая станция 

ПЭП  
— пьезоэлектрический преобразователь 

РГК  
— радиографический контроль 

РД  
— руководящие документы 

СКЗ  
— среднеквадратическое значение 

ТЗ  
— техническое задание 

ТФН  
— таблица функций неисправностей 

УЗК  
— ультразвуковой контроль 

ЦД  
— цветная дефектоскопия 

ЦППС  — центральная приемопередающая станция 

 
 

Лекция № 1 

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 

Современное производство, к сожалению, не застраховано полностью от 

крупных производственных аварий. Для их предотвращения необходимо соблюдение ряда специальных обязательных правил. В РФ деятельность по защите жизненно важных интересов личности и общества от аварий на опасных производственных объектах и их последствий называется промышленной 
безопасностью. Условия, запреты, ограничения и другие требования, обязательные для исполнения на опасных производственных объектах, регулируются Федеральным законом от 21 июля 1997 г. № 116ФЗ «О промышленной 
безопасности опасных производственных объектов».  

К категории опасных производственных объектов относятся объекты, на 

которых получаются, используются, перерабатываются, образуются, хранятся, транспортируются, уничтожаются опасные вещества следующих видов: 

воспламеняющиеся — газы, которые при нормальном давлении и в 

смеси с воздухом становятся воспламеняющимися, их температура кипения 
при нормальном давлении составляет 20 °С или ниже; 

окисляющие — вещества, поддерживающие горение, вызывающие воспламенение и (или) способствующие воспламенению других веществ в результате окислительновосстановительной экзотермической реакции; 

горючие — жидкости, газы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления; 

взрывчатые — вещества, которые при определенных видах внешнего 

воздействия способны на очень быстрое самораспространяющееся химическое превращение с выделением теплоты и образованием газов; 

токсичные — вещества, способные при воздействии на живые организмы приводить к их гибели; характерные показатели токсичности: 

средняя летальная доза при введении в желудок от 15 до 200 мг/кг; 
средняя летальная доза при нанесении на кожу от 50 до 400 мг/кг; 
средняя летальная концентрация в воздухе от 0,5 до 2 мг/л; 

высокотоксичные — вещества, способные при воздействии на живые 

организмы приводить к их гибели; характерные показатели токсичности: 

средняя летальная доза при введении в желудок не более 15 мг/кг; 
средняя летальная доза при нанесении на кожу не более 50 мг/кг; 
средняя летальная концентрация в воздухе не более 0,5 мг/л; 

вещества, представляющие опасность для окружающей среды, характерные показатели острой токсичности в водной среде: 

средняя летальная доза при ингаляционном воздействии на рыбу  

в течение 96 ч не более 10 мг/л; 

средняя концентрация яда, вызывающая определенный эффект при 

воздействии на дафнии в течение 48 ч, не более 10 мг/л;