А.Е. Базулин, А.В. Бутов, Д.С. Тихонов, С.В. Ромашкин, А.В. Заушицын
С момента создания ООО «НПЦ «ЭХО+» особое внимание уделялось методам ультразвукового контроля, обеспечивающим визуализацию изображений дефектов и измерение их размеров. Дифракционные методы за счет своей высокой чувствительности и высокой точности во многих случая позволяют решить задачу выявления, классификации и определения параметров дефектов. В данной статье приведен обзор возможностей оборудования и программного обеспечения, разработанного ООО «НПЦ «ЭХО+» в целях реализации технологии TOFD.
Ключевые слова: TOFD, АВГУР
Технология дифракционно-временного метода (Time of Flight Diffraction) была детально проработана в 1970-х в Великобритании и доведена до широко применяемого промышленного стандарта, проведено множество испытаний, обоснована замена радиографического контроля на метод TOFD [2, 3, 4]. Методы, использующие дифракционные сигналы применялись в оборудовании ООО «НПЦ «ЭХО+» с момента создания компании [5, 6]. В то же время, применение метода TOFD в России длительное время сдерживалось отсутствием нормативной базы и норм оценки качества.
На Рис. 1 приведена иллюстрация к принципу сбора данных по технологии TOFD и пример файла данных, показывающих выявленный плоскостной дефект (непровар по кромке).
Технология TOFD при контроле стыковых сварных соединений подразумевает использование:
Главные достоинства технологии TOFD:
Рис. 1. Принцип TOFD и пример выявления вертикально ориентированного плоскостного дефекта
Недостатки технологии TOFD:
Документ API RP 2X [7] не рекомендует применение исключительно TOFD для измерения несплошностей, а требует дополнения эхо-методом. Разрабатываемый проект СТО ГАЗПРОМ на контроль сварных соединений [8] предполагает использование параллельно технологий контроля ФР (фазированными решётками) и TOFD в автоматизированном режиме.
ASME допускает применение TOFD с использованием фазированных решеток[9], в опыте ООО «НПЦ «ЭХО+» имеется пример, когда контроль корня сварного соединения на наличие размывов выполнялся с применением дефектоскопа на фазированных решетках [10].
В дефектоскопах систем АВГУР-Т и АВГУР-ТФ встроены платы, реализующие шести- и двухканальные варианты TOFD. Частота дискретизации составляет до 100 МГц, с применением интерполяции до 400 МГц.
Поскольку дифрагированные эхосигналы имеют достаточно малую амплитуду в сравнении с сигналом от донной поверхности, особенно при использовании длинных высокочастотных кабелей (более 7 м), используется малошумящий предусилитель на 40 дБ.
Полосовая фильтрация по настраиваемой пользователем полосе частот позволяет получать менее зашумленные сканы, аппаратное усреднение сигналов (до 16 реализаций на канал) позволяет повысить отношение сигнал/шум в случае необходимости, но за счет замедления скорости сбора данных.
Таким образом, TOFD в системах АВГУР реализуется как для варианта автоматизированного, так и для механизированного ультразвукового контроля, с применением портативного прибора с аккумуляторным питанием.
Для проведения УЗК методом TOFD в широком диапазоне толщин объектов контроля от 8 до 300 мм (и даже более) применяются пьезоэлектрические преобразователи с частотами 2; 5 и 10 МГц производства ООО «НПЦ «ЭХО+» (Рис. 2, Табл. 1) или иных производителей.
Маркировка и артикул |
Частота, МГц |
Диаметр пьезоэлемента, мм |
Диаметр корпуса ПЭП, мм |
L2D0-12C (P0180005) |
2 |
12 |
17 |
L5D0-03C (P0180002) |
5 |
3 |
9,5 |
L5D0-06C (P0180001) |
5 |
6 |
9,5 |
L10D0-03C (P0180003) |
10 |
3 |
9,5 |
L10D0-06C (P0180004) |
10 |
6 |
9,5 |
Рис. 2. Призмы и ПЭП TOFD производства ООО «НПЦ «ЭХО+»
Для перемещения групп преобразователей TOFD возможно применение различных сканирующих устройств, от простейших и миниатюрных, до больших сканеров, несущих до 8 пар TOFD. На Рис. 3 показаны три сканера для TOFD: ручной ХАМЕЛЕОН, механизированный МЫШЬ и автоматизированный СЛОН. Главное требование – минимизация люфтов в механизмах крепления преобразователей. В арсенале ООО «НПЦ «ЭХО+» имеются все типы таких сканеров. Практика, однако, показала, что наиболее удобным является вариант, когда на сканер устанавливается не более двух пар TOFD, иначе затрудняется оперативное слежение за акустическим контактом и реакция на ухудшение акустического контакта.
Рис. 3. Сканеры производства ООО «НПЦ «ЭХО+» для проведения контроля по технологии TOFD (ручной, механизированный и автоматизированный)
Для расчета схем контроля в программное обеспечение АВГУР встроен калькулятор схем контроля TOFD (Рис. 4), который позволяет:
Рис. 4. Работа калькулятора параметров TOFD (графическое задание схемы контроля, параметры канали и размерные критерии)
По умолчанию шкала глубин на TOFD скане является нелинейной, что затрудняет анализ данных. Для привязки шкалы глубин к истинной глубине необходимо выполнять калибровку по сигналу головной волны и сигналу от донной поверхности объекта с известной толщиной. В программном обеспечении АВГУР такая калибровка выполняется за несколько щелчков «мышкой» при ручном указании сигнала от головной волны и от донного сигнала. В ближайшем будущем такая калибровка будет полностью автоматизирована.
В программное обеспечение АВГУР встроена функция интерполяция данных TOFD с целью получить более сглаженную картину. Интерполяция применяется за счет применения быстрого преобразования Фурье и увеличения длины вектора в 2-4 раза [12]. На примере на Рис. 5 показан фрагмент TOFD изображения до и после выполнения интерполяции с 40 МГц до 160 МГц. Показан также параболический курсор, установленный на непротяженный дефект
Рис. 5. Применение интерполяции (слева частота 40 МГц, справа 160 МГц).
Компенсация изменяющего слоя контактной жидкости под призмой и механических люфтов в конструкции прижима выполняется при вызове обработки, выравнивающей все сигналы по фронту головной волны. На Рис. 6 показан пример применения такой обработки.
Рис. 6. Выравнивание по сигналам от головной волны (слева – исходные данные, справа – обработанные)
Как уже было указано, по умолчанию шкала глубин является нелинейной, а широкая диаграмма направленности ПЭП TOFD приводит к появлению характерных параболических «усов» (Рис. 5). Для приведения координат к декартовым, а также для наглядной классификации дефектов на протяженные и непротяженные применяется обработка типа фронтального SAFT. На Рис. 7 показан пример такой обработки при визуализации боковых отверстий и паза в настроечном образце.
Рис. 7. Обработка SAFT для данных TOFD (слева – исходные данные, справа – обработанные)
Уменьшить уровень ложных бликов изображения дна и сократить размеры мертвой зоны можно с использованием метода когерентного фактора (CF) [13]. На Рис. 8 показаны фрагменты SAFT-изображения и SAFT-CF-изображения образца сварного соединения обечаек парогенератора толщиной 145 мм. Блики границ паза, имитирующего подповерхностную трещину, сохранили фазовые соотношения TOFD-эхосигналов и находятся в противофазе. На SAFT-CF-изображении уверено обнаруживается блик вершины вертикального плоскодонного отверстия глубиной 5 мм и диаметром 5 мм, выполненного на донной поверхности, протяженность обоих дефектов определяется близкой к фактической.
Рис. 8. Пример применения когерентного фактора для уменьшения размеров мертвой зоны при выявлении придонных дефектов
В силу особенностей данных TOFD от оператора требуется проверка зрения на способность различать градации серого цвета и навык расшифровки данных, полученных на различных типах дефектов. Для подготовки операторов требуется отсмотреть значительный объем таких данных. Принцип построения базы данных АВГУР позволяет отобрать из нее данные TOFD, полученные на различных объектах контроля, как содержащие дефекты, так и бездефектные.
Для применения технологии TOFD в ООО «НПЦ «ЭХО+» разработан и опробован ряд методик контроля, в том числе:
Методики разработаны с учетом требований международных и российских стандартов и включают требования к аппаратуре, настроечным образцам, порядку настройки, проведения контроля и анализа данных контроля.
Силами и оборудованием ООО «НПЦ «ЭХО+» проводился контроль сварных соединений трубопроводов:
Рис. 9. Контроль системой АВГУР-ТФ (ФР+TOFD) кольцевых сварных соединений трубопроводов
С применением оборудования ООО «НПЦ «ЭХО+» проводился контроль сосудов и емкостей толщиной до 350 мм, производимых АО «Ижорские заводы», АО «Уралхиммаш» (Рис. 10), АО «Красный Котельщик» и емкостей, эксплуатируемых на Омском НПЗ.
Рис. 10. Контроль сварных соединений сосудов. Перемещение механизированного сканера и сканограмма по двум каналам TOFD
Лаборатория по применению оборудования ООО «НПЦ «ЭХО+» провела демонстрационный контроль испытательного тест-образца сварного соединения с дефектами износа корня шва. Образец вырезан из забракованной по данным толщинометрии трубы и содержит реальные дефекты, которые образовались в результате вымывания корня шва рабочей средой (Рис. 11). На Рис. 12 приведен характерный вид изображения TOFD, полученного при сканировании по образцу сканером МышьАвто с предусилителем TOFD А2×2 (арт. S0170002). При измерениях использовалась схема контроля с ПЭП TOFD c частотой 5 МГц и призмами с углом ввода в сталь 70º. На TOFD-изображении видно раздвоение донного сигнала, которое говорит об уменьшении толщины в области СС. Дефекты 1 и 2 по классификации ASME представляют собой вогнутый корень.
Рис. 11. Вид образца с размывом, вид со стороны корня
Рис. 12. Пример выявления размывов (индикации 1 и 2) в корне шва и тип дефекта по классификатору ASME
Сопоставление высот размывов № 1 и № 2, измеренных по данным TOFD и с помощью ВИК приведено в Табл. 2. Разница в результатах не превысила 0,2 мм. На изображении TOFD слабо видны и точечные дефекты в корне шва (4 и 5), которые также обнаруживаются визуально.
№ дефекта |
Максимальная глубина выемки, мм
|
|
TOFD |
ВИК |
|
1 |
3,0 |
2,9 |
2 |
4,2 |
4,0 |
При невозможности установить симметрично ПЭП TOFD из-за наличия конусных проточек, наличия отводов и прочего (что в ряде случаев, к сожалению, встречается, особенно при эксплуатационном контроле) можно применять так называемый асимметричный TOFD, когда один из датчиков устанавливается посередине шва и принимает (излучает) продольную волну под углом 0° или близким к этому. В отечественной литературе это называется дельта-методом [17]. В данном режиме существенно ослабляется или вовсе отсутствуют сигналы головной волны, но результаты по выявлению дефектов не хуже, чем при классическом TOFD. Калькулятор схем контроля АВГУР также поддерживает эту схему контроля (Рис. 14).
Рис. 14. Пример расчета схемы «асимметричный TOFD»
Особенность технологии TOFD не позволяет без особых ухищрений отличить одиночный непротяженный дефект типа поры от реальной поперечной трещины. Теоретически задача различения непротяженного дефекта от поперечного может быть решена при наличии второго канала сбора данных, когда пара ПЭП TOFD развернута вдоль одной линии на 45°[18]. В этом случае по изменению характерной формы «усов» при изменении схемы можно диагностировать наличие поперечного дефекта, а затем окончательно подтвердить его иным способом контроля (например, просто эхо-методом). Разница в упомянутом изменении формы незначительна и в реальном случае представляет сложность для оператора эту разницу выявить. Кроме того, при контроле труб малого диаметра затруднительно разместить ПЭП TOFD по схеме с поворотом. Однако, по мере накопления сигналов от подобных дефектов есть все основания полагать, что для классификации по типу дефекта будет применен некий алгоритм из области машинного обучения.
Применение TOFD для контроля материалов с зернистой структурой не показало многообещающих результатов, однако специалисты компании DEKRA продемонстрировали [19], что при контроле главного циркуляционного трубопровода с аустенитными и высоконикелевыми заварками c применением технологии TOFD удобно определять длину и глубины заварок, выполненных с наружной стороны трубопровода (Рис. 15). Подобный подход применяется ООО «НПЦ «ЭХО+» и с применением эхо-метода и визуализации, но в варианте с TOFD получить результат можно быстро и наглядно.
Рис. 15. Пример определения формы аустенитной ремонтной заварки (изображение получено компанией DEKRA). Курсоры установлены на начало и конец заварки. Видно что заварка достигает слоя плакированного металла.
Метод TOFD, разработанный в 1970-х годах, продолжает демонстрировать свою эффективность при проведении контроля различных объектов.
Применение оборудования (дефектоскопы, сканеры, пьезоэлектрические преобразователи, призмы, настроечные образцы) и программного обеспечения АВГУР, разработанных ООО «НПЦ «ЭХО+» позволяет реализовать все составляющие технологии TOFD и обеспечить выявление и определение параметров дефектов в сварных швах опасных промышленных объектов.
Большой ценностью являются альбомы изображений типичных дефектов. Каждая из компаний, выполняющих работы по АУЗК, накапливает характерные изображения дефектов, полученных на испытательных образцах и реальных дефектах, подтвержденных результатами вырезки. База данных АВГУР постоянно пополняется такими изображениями для обучения дефектоскопистов лаборатории «ЭХО+», и специалистов Заказчиков.
Многообещающие результаты получены при автоматическом анализе данных TOFD с определением типа дефекта [20], в планах ООО «НПЦ «ЭХО+» применить методы машинного обучения к таким данным.