ЦФА «СОЗРЕЛО»
Существует понятие об уровнях зрелости технологий (technology readiness level — TRL), которое описывает переход технологии от уровня TRL 1. “Сформулирована фундаментальная концепция технологии” до уровня TRL 9. “Изделие удовлетворяет всем требованиям: инженерным, производственным, эксплуатационным, по качеству и надежности.” Вот и технология Total Focusing Method, она же цифровая фокусировка антенны (ЦФА), она же комбинационный SAFT, она же IWEX, она же Sampled Phased Arrays (SPA) из экзотического и оспариваемого алгоритма превратилась в стандартизованный.
Хотя, справедливости ради, первая в России методика с применением ЦФА “Методика ультразвукового контроля композитных сварных соединений приварки патрубков уравнительных трубопроводов, приварки патрубков впрыска компенсаторов давления и приварки патрубков САОЗ корпуса реактора ВВЭР-440 к переходной втулке с применением технологии фазированных решёток”, была внедрена еще в 2012 году.
Дефектоскоп АВГУР-АРТ, который реализовывал эту методику с самого начала был нацелен на примение ЦФА и лишь затем была освоена технология ФР.
В начале 2021 года вышли два стандарта по применению TFM в ультразвуковом неразрушающем контроле:Ниже мы расскажем о некоторых особенностях этих стандартов и о том, как в дефектоскопе АВГУР-АРТ реализованы требования указанных стандартов.
Дальнейшее предназначено для специалистов, которые уже знают, что такое ультразвуковая фазированная решетка и что такое метод цифровой фокусировки антенны.
Желающие узнать основы ЦФА/TFM адресуются, например к публикациям и презентациям:
ISO 23865:2021 — Ультразвуковой контроль/ Общие принципы применения TFM и аналогичных способов контроля
Стандарт в основном применяется на изотропных материалах, но даны рекомендации и по применению на анизотропных материалах типа аустенитной стали или при анизотропии проката.
В любом случае контроль должен проводиться по специально разработанной методике.
На уровень стандарта выведено обозначение схем контроля, которое разработчики по факту уже давно стали применять:
Прямо в стандарте указано что в силу принципа взаимности (T — TT) и (TT — T) это одно и то же, то есть излучатели с приёмниками спокойно можно менять местами.
Проводится сравнение и сопоставление между TFM и традиционным применением фазированных решеток.
Важно что для сбора исходных данных допускается применять не только полный перебор всех комбинаций излучатель-приёмник (классический FMC), но и упрощенный вариант, такой как PWI (излучение ограниченного набора плоских волн под разными углами).
Интересно, что подразумевается, что в спецификации (как это по-русски назвать — в документации на изделие?) должны быть оговорены вопросы связанные не только с критериями оценки оценки качества, но и с принципами образмеривания дефектов.
В требованиях к персоналу указано, что помимо обычной сертификации на ультразвуковой метод (например по ISO 9712) требуется дополнительная тренировка с применением TFM дефектоскопов на реальных или реалистичных дефектах.
Среди требований к оборудованию:
Один из принципиальных моментов, который оговорен в стандарте и это очень важно: принцип выбор шагов в получаемом изображении. Этому посвящено отдельное приложение С.
Понятно, что чем крупнее шаг, тем быстрее выполняется получение изображений, но тем выше ошибка измерения амплитуды сигнала от модели дефекта или реального дефекта.
В очередной раз проговаривается, что фокусировка для антенной решетки, в том числе и в режиме ЦФА возможна в пределах ближней зоны, определяемой ее активной апертурой.
Рекомендованное значение pitch для антенных решеток представляется заниженным и составляет половину длины волны в призме. С этим никак нельзя согласиться. На практике для призмы из рексолита (скорость продольной волны 2,33 мм/мкс) и частоты 5 МГц для фазированной решетки с pitch 1 мм никаких проблем не возникает, а в то же время длина волны в рексолите лишь 0,46 мм.
Максимально допустимое число убитых элементов решётки — один на каждые 16 и не допускаются чтобы убитыми были соседние элементы.
Из требований к сканированию — приведены рекомендуемые значения шагов сканирования в зависимости от толщины. Так для толщин до 6 мм рекомендован шаг 0,5 мм, от 6 до 10 мм шаг 1 мм, для толщин от 10 до 150 мм шаг 2 мм. Тут хочется обратить внимание любителей задавать шаг 1 мм при контроле сварных швов толщиной 40 мм. Перебор, товарищи!
Методы образмеривания хорошо знакомы тем, кто давно имеет дело с голографическими изображениями, подчеркивающими сигналы дифракции на кончиках дефектов:
О схемах контроля с учетом отражения от донной поверхности указано вкратце, что их следует выбирать исходя из близости углов падения/отражения на дефект к нормали, также с учетом трансформации типа волы. Для оперативной проверки эффективно использовать.
ISO 23864:2021 — Ультразвуковой контроль. Применение TFM для автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов
Само устройство стандарта похоже на ISO 13588. Non-destructive testing of welds — Ultrasonic testing — Use of automated phased array technology,
Точно также в нем описываются уровни контроля (понятие, которому сложно найти аналог в отечественных ГОСТ). Уровни контроля отвечают вероятности выявления дефектов за счет увеличения схем прозвучивания, так уровень А предполагает контроль лишь на прямом луче, а уровень В — на прямом и отраженном, уровень С — еще и с добавлением схем контроля, ориентированных на выявление плоскостных дефектов по границам сплавления.
Причем для уровня С необходимо в методике контроля представить схемы прозвучивания. Для этого в программное обеспечение АВГУР встроен редактор схем контроля.
Любопытно, что не обозначено ограничений, возникающих при попытке визуализировать данные, полученные при применении продольной волны с отражением от донной поверхности просто продлением области восстановления изображения. Дело в том, что такие данные требуют особой интерпретации, принимая во внимание трансформированные на донной поверхности волны из продольных в поперечные.
Стандарт не распространяется на анизотропные материалы типа аустенитной стали и на сложные швы типа угловых и с неполным проплавлением. В то же время в разделе 17 приведены требования к контролю швов из аустенитной стали.
В отношении выбора сетки для получения изображений рекомендовано применять метод из ISO 23865. В требованиях к фазированным решеткам также повторены рекомендации ISO 23865.
В том что касается сканирующих устройств, отмечено, что требования к позиционированию относительно сварного шва не такие высокие как для других методов (подразумевая в первую очередь зональный контроль).
Однако методика контроля должна отражать пределы отклонения положения датчиков и необходимо показать влияние этих отклонений на настроечных образцах.
Оговорено что в зависимости от конструкции объекта контроля применяются системы со сканированием вдоль шва или вдоль и поперек шва. Системы АВГУР включают как однокоординатные, так и двухкоординатные сканеры для автоматизированного контроля.
Зона контроля для сварных швов труб толщиной более 8 мм должна включать околошовную зону 10 мм на сторону. Что несколько облегчает задачу в сравнении с 20 мм для швов толщиной более 20 мм в российской практике.
Для образмеривания дефектов могут быть использованы как амплитудные методы (по данные полученные при зеркальном отражении от плоскостного дефекта) так и методы на основе анализа дифрагированных сигналов.
В случае применения амплитудного метода необходимо обеспечивать угол падения/отражения на дефект близкий к нормальному.
В общем для образмеривания вертикально ориентированных дефектов рекомендуется применять схему с нечетным числом отражений от дна (например T-TT).
В таблице 3 приведены рекомендуемые схемы получения изображения в зависимости от типа и местоположения дефекта для швов с узкой и широкой разделкой.
Интересная идея предложена со схемами контроля антенной решеткой, устанавливаемой на удалённый валик усиления, и с применением нескольких схем прозвучивания (в тексте стандарта названо Top scanning).
Здесь есть сомнения в эффективности — неясно как сделать демпфер/ловушку для сигналов, которые продолжают бегать в задержке.
Сделана оговорка о том, что при контроле разнотолщинных изделий, сложных сварных швов типа вварки уровень контроля должен быть D, а преимущество ЦФА состоит в возможности учитывать изменяющуюся геометрию при онлайн- или постобработке.
Как и в других стандартах на контроль сварных швов оговорено, что необходимо проводить контроль основного металла, в первую очередь на наличие расслоений, которые могут затруднить контроль самих сварных швов.
При проверке настроек необходимо чтобы отношение сигнал/шум для всех областей изображения по контрольным отражателям составлял не менее 12 дБ. Метод измерения отношения сигнал/шум должен быть описан в методике контроля. В программное обеспечение АВГУР-Анализ встроен модуль расчета отношения сигнал/шум.
Важное дополнение в отношении ЦФА это разрешение проводить настройку области изображения и чувствительности непосредственно на объекте контроля, но только для уровня качества А.
Допускается не хранить исходные А-сканы, но изображения с указанием параметров получения изображения.
Периодическая проверка настроек может проводиться как на исходном настроечном образце, так и на неком другом образце с известными характеристиками. Что звучит довольно либерально.
Требуется также ежедневная проверка функционирования аппаратуры в целом без уточнения критериев функционирования.
Требования к верификации достаточно простые: только для уровня качества D требуется подтвердить выявление и образмеривание отражателей в настроечных образцах во всей области контроля.
Об оценке качества собранных данных указано, что проверять следует качество акустического контакта, область восстановления изображений, чувствительность, отношение сигнал/шум, отсутствие насыщения и пропусков данных.
Все это требует от оператора особых знаний, полученных и проверенных в ходе обучения.
Оценка качества. Допускается выполнять оценку качества по амплитудным или размерным критериям.
При образмеривании по сигналам дифракции допускается определение высоты по:
При отсутствии возможности выделить сигналы дифракции допускается применение различных способов образмеривания, основанных на амплитудах (ВРЧ, АРД, условная высота по уровню 6 дБ и проч).
Среди требований к содержанию заключения по результатам контроля добавлена специфика применения ЦФА:
В разделе 17 приведен порядок применения данного стандарта при проведении АУЗК аустенитных сварных швов:
Предложены конструкции настроечных образцов в зависимости от уровня контроля с применением боковых отверстий, в общем-то повторяющие требования ISO 13588, интересным новшеством можно назвать рекомендованную конструкцию настроечного образца для контроля труб толщиной от 2.5 до 8 мм.
Сам стандарт подготовлен с явным участием разработчиков из Applus RTD (во всяком случае приложение, включающее характерные изображения типичных дефектов сварных швов, полученные ЦФА и сравненные с результатами металлографии).
Вывод
Технология ЦФА стандартизована. Подготовлены стандарты, имеющие черты научного исследования и оставляющие простор для творчества разработчикам оборудования и методик контроля.
Дефектоскоп АВГУР-АРТ поддерживает основные положения новых стандартов и ждёт зубодробительных задач области ультразвукового контроля.
Спасибо за внимание!