Получение изображения несплошностей на границе сплавления ос-новного металла и сварного соединения методом цифровой фокусировки антенной

Одна из задач ультразвукового неразрушающего контроля сварных соединений магистральных трубопроводов – это обнаружение непроваров, трещин на границе сплавления основного металла и сварного соединения, в том числе для швов, сваренных в узкую разделку. В настоящее время для этих целей используются антенные решётки, работающие в режиме зональной фокусировки. С помощью этой технологии можно быстро проводить контроль границы «основной металл-сварное соединение».

Недостатком зональной фокусировки с применением ФАР является грубая оценка размеров трещины и уход эхосигналов из строба слежения при смещении антенной решётки в направлении поперечном к сварному соединению. Изменение толщины стенки трубы также может привести к потере эхосигнала, отражённого от дефекта.

По эхосигналам, измеренным антенной решёткой методом цифровой фокусировки антенной (ЦФА), можно восстановить изображение всей поверхности границы сплавления. Для этого нужно использовать акустические схемы с нечётным отражением от границ объекта контроля, когда удаётся регистрировать эхосигналы отражённые от поверхности трещины. Под акустической схемой будем подразумевать описание лучевой траектории распространения импульса при отражении его от границ объекта контроля с учётом трансформации типа волны. Для описания акустических схем будем пользоваться следующим правилом: буква d обозначает отражение от дефекта; тип волны после отражения от границ будем обозначать буквами L (продольная) и T (поперечная). Последовательная запись типов волны и событий будет определять акустическую схему. Например, схема LLdT описывает ситуацию, когда при излучении продольная волна не меняет тип при отражении от дна, а при приёме регистрируется поперечная волна, в которую трансформировалась продольная при отражении от поверхности дефекта.

На Рис. 1 показан объект контроля в виде пластины толщиной 20 мм из стали Ст20, в которой просверлены плоскодонные отверстия (ПДО) диаметром 3.5 мм с углом наклона 7 градусов. ПДО пронумерованы от 1 до 4. Эхосигналы измерялись антенной решёткой из 32 элементов с рабочей частотой 5 МГц установленной на рексолитовую призму с углом наклона 35 градусов. Передняя грань призмы находилась на расстоянии 17 мм, от торцов ПДО.

Рис. 1. Измерения эхосигналов

По эхосигналам восстанавливались изображения моделей дефектов по всем акустическим схемам как с однократным отражением от дна, так и с тремя отражениями от дна с учётом эффекта трансформации типа волны. По всем акустическим схемам таких изображений будет 40. Из них для каждого ПДО будет насчитываться только около 10 акустических схем, которые позволяют получить изображение поверхности трещины. Список этих акустических схем для каждого ПДО будет свой. Все пригодные изображения можно объединить в одно (Рис. 2). Линиями красного цвета на рисунке показано дно образца и контуры ПДО с номерами от 1 до 4. Размеры дефектов можно оценить с точностью ±0.5 мм.

Рис. 2. Изображения ПДО

Для конкретной методики из множества акустических схем для ПДО на разных глубинах залегания нужно выбрать всего лишь одну схему. В Таблица 1 указаны акустические схемы, оптимальные для контроля разных ПДО. Видно, что для контроля ПДО №4 нужно использовать «диковинную» акустическую схему LTdTTT с трансформацией типа волны. Разница амплитуды бликов ПДО не превышает 1.8 дБ. Следует отметить, что это происходит без всякого выравнивания чувствительности.

Таблица 1.

В Таблица 2 указан второй вариант акустических схем. Ошибка определения амплитуды бликов ПДО уменьшилась до -1.1 дБ. Понятно, что для разных расстояний от антенной решётки до центра сварного соединения наборы акустических схем будут отличаться.

Таблица 2.

С вычислительной точки зрения такой подход более затратный, чем режим зональной фокусировки. Однако его реализация на программируемых логических матрицах или иных системах, реализующих технологию параллельных расчётов, позволяет получать изображения с частотой более 20 Гц при использовании 32 элементных антенных решёток.

Быстрый анализ данных можно проводить, как и при обычном зональном контроле по представлению в виде StripChart, а уже более точное определение типа дефекта и его высоты выполнять по ЦФА изображению.

Указанный способ контроля реализуется дефектоскопом АВГУР-АРТ, входящим в систему автоматизированного ультразвукового контроля АВГУР-ТФ.

Базулин Е.Г.