Sławomir
Mackiewicz
Jarosław Kopiński
Nowoczesne metody badań nieniszczących
złączy spawanych
1. Wstęp
2. Metody badań złączy spawanych
3. Cyfrowe defektoskopy ultradźwiękowe
4. Zautomatyzowane systemy ultradźwiękowe
5. Nowa koncepcja badań ultradźwiękowych
6. Techniki rejestracji danych
7. Zastosowanie sysytemów automatycznych
8. Ultradźwiękowa technika TOFD
9. Podsumowanie
1. Wstęp
Kontrola
jakości połączeń spawanych jest jednym z głównych obszarów
zastosowań badań nieniszczących. Pomimo ugruntowanej praktyki
w tym zakresie, stały rozwój techniki i technologii niesie
nowe wyzwania, którym sprostać muszą badania nieniszczące.
Jednym z czynników
wpływających na rozwój nowych technik badania spoin jest
upowszechnianie się zautomatyzowanych systemów spawalniczych.
Systemy takie znalazły zastosowanie np. przy budowie rurociągów
dalekiego zasięgu. Nakładają one na badania nieniszczące
wysokie wymagania zarówno co do szybkości i wydajności
badań, jak również co do skuteczności w wykrywaniu określonych
rodzajów wad charakterystycznych dla tych technologii.
Innym aspektem
rozwoju badań nieniszczących są wymagania systemów zapewnienia
jakości. Kładą one duży nacisk na skrupulatne dokumentowanie
zarówno samego procesu badania, jak też jego wyników.
Dotyczy to zarówno badań produkcyjnych, wykonywanych w
procesie wytwarzania wyrobu, jak również badań kontrolnych
wykonywanych w trakcie jego eksploatacji. W tym ostatnim
przypadku bardzo ważna jest możliwość dokładnego wymiarowania
wykrytych wad, pozwalająca na monitorowanie ich rozwoju
i ewentualne przedłużanie eksploatacji urządzenia w oparciu
o obliczenia wytrzymałościowe.
O rozwoju
określonej dziedziny techniki decydują obok stawianych
przed nią wymagań również stojące do dyspozycji możliwości
technologiczne. Rozwój badań nieniszczących złączy spawanych
nie polega obecnie na wprowadzaniu zasadniczo nowych metod
badań, lecz raczej na udoskonalaniu i rozwijaniu metod
tradycyjnych. Jest to widoczne np. w badaniach ultradźwiękowych,
gdzie podstawą rozwoju nowych technik badawczych jest
nowoczesna technika cyfrowa i komputery.
2. Metody badań złączy
spawanych
Spośród
wielu metod badań nieniszczących podstawową rolę w badaniach
złączy spawanych zawsze odgrywały metody; radiograficzna
(RT) i ultradźwiękowa (UT). Obie metody mają długoletnią
tradycje i są powszechnie uznawane w normach i przepisach
dotyczących konstrukcji spawanych.
Niezależnie
od tego, w praktyce przemysłowej, przez wiele lat dominującą
pozycje zajmowały badania radiograficzne. Główną przyczyną
tego stanu rzeczy nie była jednak fundamentalna wyższość
badania radiograficznego nad ultradźwiękowym, lecz raczej
możliwość uzyskania obiektywnego zapisu wyników badania
w postaci radiogramu. Możliwości takiej nie posiadały
tradycyjne (ręczne) badania ultradźwiękowe, w których
ocena wskazań była dokonywana bezpośrednio na obiekcie,
zaś zapis wyników badania sprowadzał się do notatek operatora.
Zapisy takie były jednak bardziej odzwierciedleniem subiektywnej
oceny wskazań niż pełnym i obiektywnym zapisem wyników
badania.
Opisana słabość
badań ultradźwiękowych została w znacznym stopniu przezwyciężona
w latach 90-tych wraz z upowszechnieniem się komputerów
PC i cyfrowych technik obróbki sygnału. Metody ultradźwiękowe
okazały się bardzo podatne na szeroko rozumianą automatyzację
i komputeryzację procesu badania. Doprowadziło to do powstania
nowych technik ultradźwiękowych (np. TOFD) oferujących
możliwości nieporównywalne z tradycyjnymi badaniami ręcznymi.
Postęp w badaniach
radiograficznych spoin nie był tak dynamiczny. Ważną nowością
na tym polu było wprowadzenie radionuklidu Se75 pozwalającego
na uzyskiwanie radiogramów wyższej jakości niż przy użyciu
tradycyjnych źródeł Ir192. Upowszechniło się wykorzystanie
zautomatyzowanych defektoskopów izotopowych i rentgenowskich
(tzw. czołgaczy) oraz automatów do fotochemicznej obróbki
filmów. Generalnie można jednak stwierdzić, że podstawowy
kanon przemysłowych badań radiograficznych nie uległ w
ostatnich lalach znaczącym zmianom.
Z tego powodu
w dalszej części artykułu skoncentrowano się na opisaniu
nowoczesnych technik badań ultradźwiękowych.
3. Cyfrowe defektoskopy ultradźwiękowe
Ważnym krokiem
na drodze automatyzacji badań ultradźwiękowych było wprowadzenie
cyfrowych defektoskopów ultradźwiękowych.
Podstawowa zasada działania tych aparatów jest podobna
do tradycyjnych defektoskopów analogowych. Impuls elektryczny
nadajnika pobudza głowicę ultradźwiękową, która wprowadza
do badanego obiektu impuls ultradźwiękowy. Po ewentualnym
odbiciu od nieciągłości materiału impuls powraca do głowicy,
gdzie jest ponownie zamieniany na sygnał elektryczny i
wstępnie wzmacniany przez układ analogowy.
Dopiero w
następnym etapie proces przetwarzania sygnału w defektoskopie
cyfrowym jesl odmienny niż w analogowym. Zamiast podawania
sygnału na układ odchylania pionowego lampy oscyloskopowej
jest on poddawany próbkowaniu przez przetwornik analogowo-cyfrowy
i w formie cyfrowej zapisywany w buforze pamięci aparatu.
Po odpowiedniej obróbce cyfrowej (np. prostowanie jedno
lub dwu połówkowe, filtrowanie) sygnał jest wyświetlany
na ekranie typu LED lub LCD. Na ekranie wyświetlane są
ponadto aktualne nastawy aparatu oraz bramki pomiarowe
ułatwiające wykonywanie pomiarów amplitudy i opóźnienia
ech ultradźwiękowych. Wyniki lych pomiarów mogą być automatycznie
przeliczane na głębokości i odległości odpowiednich reflektorów.
Ważną opcją defektoskopów cyfrowych jest możliwość zapisywania
w pamięci aparatu pewnej liczby zobrazowań typu A, które
mogą stanowić dokumentację badania. Dużym udogodnieniem
dla operatorów jest funkcja zapisywania i odtwarzania
z pamięci nastaw aparatu (skalowań) oraz elektronicznej
generacji ekranowych krzywych DAC.
Dzięki wymienionym
cechom cyfrowe defektoskopy ultradźwiękowe znacząco podniosły
wiarygodność i efektywność ręcznych badań ultradźwiękowych.
Należy jednak wyraźnie podkreślić, że aparaty te nie pozwalają
na rejestrację wyników badania ultradźwiękowego w sposób,
który umożliwiłby dokonanie niezależnej ich oceny. Rejestrowane
mogą być jedynie pojedyncze zobrazowania typu A, pozbawione
w dodatku istotnej informacji o położeniu głowicy na obiekcie.
Na podstawie takich zapisów nie można dokonać prawidłowej
interpretacji ech, a ponadto nie ma pewności, że wszystkie
istotne wskazania zostały przez operatora wykryte i zarejestrowane.
Technika ultradźwiękowych
badań spoin przy użyciu defektoskopów cyfrowych nie odbiega
w istocie od konwencjonalnych badań wykonywanych za pomocą
defektoskopów analogowych. Operator ręcznie skanuje spoinę,
obserwując ekran defektoskopu z "żywym" zobrazowaniem
typu A. W wypadku zaobserwowania impulsu echa musi on
ocenić jego maksymalną amplitudę oraz położenie odbijającego
reflektora. Najtrudniejszym zadaniem jest dokonanie oceny,
czy dane echo pochodzi od rzeczywistej wady czy też jest
echem kształtu wynikającym z odbicia fali ultradźwiękowej
od wypukłości lica lub grani. Ocena taka musi być wykonana
bezpośrednio na obiekcie, gdyż może wymagać analizy dynamiki
echa, oceny reflektora z różnych kierunków padania itp.
Zarejestrowanie pojedynczego zobrazowania typu A nie stanowi
dostatecznej podstawy do zweryfikowania tego rodzaju ocen.
Przedstawiony
opis dotyczył wykorzystania defektoskopów cyfrowych przy
wykonywaniu badań tradycyjną techniką ultradźwiękową.
Jednak cyfrowe defektoskopy ultradźwiękowe stworzyły podstawę
do opracowania innych, alternatywnych technik badania
spoin umożliwiających znacznie pełniejszą rejestrację
i analizę wyników badania.
4. Zautomatyzowane systemy ultradźwiękowe
Rzeczywisty
przełom w zakresie dokumentowania wyników badań ultradźwiękowych
stanowiły zmechanizowane systemy ultradźwiękowe zapewniające
automatyczną rejestrację wskazań ultradźwiękowych w powiązaniu
z położeniem głowicy na obiekcie. Pierwszym tego typu
urządzeniem, skutecznie wdrożonym do praktyki przemysłowej,
był system Rotoscan opracowany przez holenderską firmę
RTD. Układ ten zastosowano po raz pierwszy w początkach
lat 90-tych do badań spoin obwodowych rurociągów dalekosiężnych
budowanych na terenie Kanady. W następnych latach system
ten sprawdził się w krajach Europy Zachodniej, zaś w latach
1996-99 był stosowany w Polsce do badania spoin obwodowych
pierwszej nitki Gazociągu Tranzytowego Jamał - Europa
Zachodnia.
Sukces techniczny
i komercyjny systemu Rotoscan spowodował, że również inne
firmy inspekcyjne zaczęły tworzyć własne rozwiązania oparte
na podobnym schemacie. Wymienić należy w szczególności
takie systemy, jak PipeCAT belgijskiej firmy AIB Vincotte,
system MIPA niemieckiej firmy SGS-Gottfeld czy Microplus
brytyjskiej firmy AEA Technology.
5. Nowa koncepcja badań ultradźwiękowych
Poniżej omówiono
podstawowe zasady budowy i działania nowoczesnych systemów
ultradźwiękowych do zautomatyzowanych badań złączy spawanych.
Dla lepszego zilustrowania poruszonych zagadnień posłużono
się materiałami technicznymi odnoszącymi się do systemu
Rotoscan.
Pierwsze,
niezbyt udane, próby zautomatyzowania ultradźwiękowych
badań spoin podejmowane były już w latach 60-tych i 70-tych.
W systemach tych próbowano naśladować proces badania ręcznego,
tj. zastosować jedną głowicę ultradźwiękową, prowadzoną
ruchem meandrowym. W rozwiązaniu takim głowica musi być
przemieszczana po skomplikowanym torze, zarówno w kierunku
prostopadłym, jak i równoległym do osi spoiny. Rozwiązania
takie okazały się nieefektywne zarówno z uwagi na problemy
techniczne związane z konstrukcją skanera, jak również
ze względu na długi czas wykonywania badania.
W rezultacie,
w nowoczesnych systemach zastosowano odmienną koncepcję
badania ultradźwiękowego polegającą na zastosowaniu kilku
głowic ultradźwiękowych usytuowanych w ustalonych odległościach
od osi spoiny i przemieszczanych jedynie w kierunku równoległym
do osi spoiny. Położenia i kąty głowic muszą być tak dobrane,
aby ich strefy badania zachodziły na siebie i łącznie
pokrywały całą objętość spoiny. Stosowane są dwa symetryczne
zespoły głowic usytuowane po obu stronach spoiny. Przykładowy
schemat rozmieszczenia głowic pokazano na rysunku 1.
|
|
|
Rys.1. Schemat
rozmieszczenia głowic ultradźwiękowych wraz z podziałem
spoiny na strefy badania.
|
Poszczególne
głowice przyłączone są do odpowiednich gniazd wielokanałowego
defektoskopu ultradźwiękowego, który umożliwia ich sekwencyjną
obsługę. W pierwszych rozwiązaniach stosowane były jedynie
głowice kątowe fal poprzecznych pracujące metodą echa.
W najnowszych wersjach wykorzystywane są również głowice
kątowe fal podłużnych do techniki TOFD. Dla każdego z
wykorzystywanych kanałów defektoskopu zdefiniowany jest
odpowiedni zestaw parametrów obejmujący: zakres obserwacji,
wzmocnienie, początek i długość bramki pomiarowej, próg
bramki itp.
Zespoły głowic
zamontowane są na skanerze, który zapewnia ich przemieszczanie
wzdłuż spoiny. Droga przesuwu skanera odmierzana jest
przez hodomelr, klórego impulsy zliczane są przez komputer
sterujący pracą systemu. Na tej podstawie program komputerowy
wylicza aktualne położenie skanera na obiekcie i w odpowiednich
momentach (zazwyczaj co 1 mm) wysyła do defektoskopu rozkaz
przesłania danych pomiarowych z kanałów głowic. Dane te
są rejestrowane w pamięci operacyjnej komputera i w odpowiedni
sposób obrazowane na ekranie monitora (rys. 2). Po zakończeniu
skanowania dane pomiarowe są zapisywane na twardym dysku
komputera.
|
|
|
Rys.2.
Zobrazowanie wyników badania systemen Rotoscan.
|
W opisanym
rozwiązaniu system ultradźwiękowy rejestruje w sposób
automatyczny wyniki pomiarów ze wszystkich głowic, na
całej badanej długości spoiny i z jednoznacznym odniesieniem
do położenia głowic na obiekcie. Zarejestrowane wyniki
stanowią pełny zapis badania i dają podstawę do interpretacji
i oceny wskazań. Ocena dokonana przez operatora jest w
pełni udokumentowana i może być zweryfikowana przez niezależnego
specjalistę.
Układ badawczy
realizujący opisaną koncepcję badania ultradźwiękowego
(rys. 3) jest stosunkowo złożony. Jądrem systemu jest
komputer sprzężony z wielokanałowym, cyfrowym defektoskopem
ultradźwiękowym. Skaner z zamontowanym zespołem głowic
ultradźwiękowych utrzymywany jest na powierzchni obiektu
za pomocą odpowiednich obręczy lub taśm stalowych i napędzany
silnikiem elektrycznym. W skład systemu wchodzi ponadto
układ wodnego sprzężenia akustycznego ze zbiornikiem na
wodę, pompą elektryczną oraz systemem przewodów doprowadzających.
W przypadku pracy w warunkach terenowych wymagany jest
generator zasilający. Cała aparatura zabudowana jest we
wnętrzu specjalnego kontenera umieszczanego na podwoziu
dużego samochodu terenowego.
|
|
|
Rys.3. Schemat
blokowy systemu Rotoscan
|
6. Techniki rejestracji danych
Przedstawiony
powyżej, ogólny schemat zautomatyzowanego systemu ultradźwiękowego,
został powielony w szeregu rozwiązaniach opracowanych
przez różne firmy. Jednak tylko nieliczne konstrukcje
(np. Rotoscan) sprawdziły się w warunkach przemysłowych
i zostały zaakceptowane przez firmy nadzorcze i inspekcyjne.
Przyczyny tego stanu rzeczy leżą w szczegółach realizacyjnych
poszczególnych systemów.
Cechą o kluczowym
znaczeniu jest zakres rejestrowanych automatycznie i analizowanych
danych ultradźwiękowych. W niektórych rozwiązaniach ograniczono
się do rejestracji amplitudy maksymalnego echa w bramce
pomiarowej, w innych rejestracji podlega zarówno amplituda,
jak i opóźnienie maksymalnego echa, zaś w tych najbardziej
zaawansowanych rejestruje się cały przebieg sygnału ultradźwiękowego
w bramce pomiarowej.
Pierwsze z
opisanych rozwiązań jest oczywistym błędem wynikającym
ze słabej znajomości podstawowych reguł ultradźwiękowych
badań spoin. Wiele silnych ech rejestrowanych podczas
badania spoin pochodzi od wypukłości lica lub grani i
właśnie one będą często rejestrowane przez taki system
jako wskazania wad. Informacja o amplitudzie echa nie
wystarcza do rozstrzygnięcia, czy dane echo pochodzi od
wady czy też jest echem kształtu spoiny.
Rejestrowane
przez system dane ultradźwiękowe muszą, umożliwiać rozróżnienie
ech wad od ech kształtu spoiny. Pewne możliwości w tym
zakresie daje rejestracja zarówno amplitudy, jak i opóźnienia
maksymalnego echa w bramce pomiarowej. Echa wad będą się,
na ogół, charakteryzować mniejszym opóźnieniem niż echa
kształtu spoiny. Jednak z uwagi na naturalne nierówności
powierzchni spoiny oraz różnorodne umiejscowienie wad
kryterium to często bywa zawodne. Ponadto, w rozwiązaniu
takim nie zostaną wykryte wady, których echa występują
jednocześnie z echami kształtu spoiny, lecz mają mniejszą
amplitudę. System zarejestruje bowiem jedynie najwyższe
echo w bramce pomiarowej, czyli w rozważanym przypadku
echo kształtu.
Najskuteczniejszym
rozwiązaniem opisywanego problemu jest pełna rejestracja
sygnału ultradźwiękowego w bramce pomiarowej połączona
z jego odpowiednim zobrazowaniem. Zobrazowanie zastosowane
w systemie Rotoscan, nazywane rotomapą, przedstawiono
na rysunku 2. W rozwiązaniu tym każdy zarejestrowany przebieg
ultradźwiękowy typu A zamieniany jest na jedną linię zobrazowania
typu B w ten sposób, że kolor linii w danym punkcie podstawy
czasu odpowiada amplitudzie sygnału. Linie odpowiadające
kolejnym położeniom głowicy na długości spoiny układane
są obok siebie, budując obraz typu B. Zobrazowanie takie
uwidacznia wszystkie echa ultradźwiękowe obecne w bramce
pomiarowej wraz z ich położeniem na osi czasu.
Rejestracja
taka stosowana jest zazwyczaj jedynie w kanałach głowic
badających strefy lica oraz grani, gdzie problem rozróżniania
ech kształtu jest szczególnie krytyczny. Przeprowadzone
testy i próby praktyczne potwierdziły wysoką skuteczność
opisanego rozwiązania.
7. Zastosowanie sysytemów automatycznych
Zakres
zastosowań opisanych wyżej systemów ultradźwiękowych ograniczony
jest do badań spoin o prostej i powtarzalnej geometrii,
jak np. złącza obwodowe rurociągów. Wynika to z konieczności
zaprojektowania mechaniki skanera oraz układu głowic ultradźwiękowych
w sposób ściśle dostosowany do geometrii badanego złącza,
grubości spoiny, a nawet profilu rowka spawalniczego.
Układ i parametry głowic ultradźwiękowych muszą być dobrane
w taki sposób, aby zapewnić wysokie prawdopodobieństwo
wykrycia wszystkich potencjalnych wad w całej objętości
spoiny. Dla każdego typu spoin należy sporządzić specjalny
wzorzec kalibracyjny wykonany z takiego samego materiału
jak materiał badanej konstrukcji. W praktyce oznacza to,
że proces przygotowania systemu do badań jest na tyle
drogi i czasochłonny, że znajduje uzasadnienie jedynie
w przypadku masowych badań powtarzalnych spoin.
U podstaw
opisanych ograniczeń leży koncepcja badań oparta na wykorzystaniu
dużej liczby głowic pracujących metodą echa. Nieuniknionym
efektem takiego rozwiązania jest konieczność budowy dużych,
mało elastycznych systemów badawczych. Rozszerzenie zakresu
zastosowań zautomatyzowanych technik ultradźwiękowych
wiąże się z wprowadzeniem dyfrakcyjnej techniki czasu
przejścia - TOFD.
8. Ultradźwiękowa technika
TOFD
Podstawy
fizyczne
Technika
TOFD (Time-Of-Flight Diifraction) polega na wykorzystaniu
zjawiska dyfrakcji fal ultradźwiękowych do wykrywania
i oceny rozmiarów wad.
W standardowych
badaniach ultradźwiękowych wykorzystuje się metodę echa
polegającą na rejestrowaniu ech ultradźwiękowych odbitych
od wad znajdujących się w objętości materiału. Podstawę
do oceny rozmiarów wady stanowi tutaj amplituda echa.
Wiadomo jednak, że amplituda echa ultradźwiękowego wady
zależy nie tylko od jej rozmiarów, lecz także od kształtu
i orientacji względem kierunku rozchodzenia się fal ultradźwiękowych.
Fakt ten stanowi poważne ograniczenie dla badań ultradźwiękowych
prowadzonych metodą echa.
Metoda TOFD
opiera się na odmiennych podstawach fizycznych niż metoda
echa. Oprócz zjawiska odbicia wykorzystuje ona zjawisko
dyfrakcji fal ultradźwiękowych [2]. W czasie badania rejestrowane
są impulsy dyfrakcyjne pochodzące od krawędzi nieciągłości
materiału. Zasadę badania przedstawiono na rysunku 4.
|
|
|
Rys.4. Schemat
badania ultradźwiękowego techniką TOFD
|
Podstawą
układu badawczego są dwie głowice kątowe fal podłużnych,
ustawione przeciwsobnie po obu stronach spoiny. Badanie
przeprowadzane jest metodą przepuszczania. Głowica nadawcza
wytwarza szerokokątną wiązkę fal ultradźwiękowych, która
obejmuje praktycznie całą objętość badanej spoiny. Fale
ultradźwiękowe wysłane przez głowicę nadawczą mogą dochodzić
do głowicy odbiorczej po różnych torach oznaczonych na
rysunku 4.
|
|
|
Rys.5. Zobrazowanie
typu A impulsów ultradźwiękowych rejestrowanych
w układzie TOFD
|
Część energii
ultradźwiękowej przechodzi bezpośrednio pod powierzchnią
materiału jako tzw. fala podpowierzchniowa typu L. Ze
względu na najkrótszą drogę przejścia impuls fali podpowierzchniowej
dochodzi do głowicy odbiorczej jako pierwszy (impuls nr
1na rys. 5). Impuls fali podpowierzchniowej dochodzi do
głowicy odbiorczej bez zmiany fazy.
Cześć energii
ultradźwiękowej dochodzi do głowicy odbiorczej po odbiciu
od przeciwległej powierzchni materiału. Impuls ultradźwiękowy
przechodzący po tej drodze oznaczony jest numerem 4 na
rysunku nr 5. Wskutek odbicia od swobodnej powierzchni
materiału impuls ten zmienia fazę o 180°.
Impuls związany
z propagacją fali podpowierzchniowej (nr 1) oraz impuls
powstający wskutek odbicia fali od przeciwległej powierzchni
materiału (nr 4) są rejestrowane przez układ badawczy,
niezależnie od tego, czy w badanej objętości materiału
znajdują się jakiekolwiek wady, czy też nie. Impulsy te
stanowią punkty odniesienia, pomiędzy którymi pojawiać
się mogą impulsy dyfrakcyjne powstające wskutek oddziaływania
fal ultradźwiękowych z nieciąglościami materiału.
W razie, gdy
w badanej objętości materiału znajduje się nieciągłość
(wada), fala ultradźwiękowa oddziaływuje z nią w dwojaki
sposób.
Przeważająca część energii ultradźwiękowej ulega odbiciu
od powierzchni nieciągłości zgodnie z prawami optyki geometrycznej.
Fala odbita może być zarejestrowana przez głowicę odbiorczą
tylko wówczas, gdy kierunek jej odbicia pokrywa się z
kierunkiem głowicy odbiorczej. Sytuacja taka może wystąpić
w szczególnych przypadkach (np. dla rozwarstwienia usytuowanego
równolegle do powierzchni materiału), jednak w większości
przypadków fala odbija się od wady w kierunku innym niż
kierunek głowicy odbiorczej.
Oprócz odbicia,
fala ultradźwiękowa ulega na krawędziach przeszkody dyfrakcyjnemu
ugięciu i rozproszeniu. Fala rozproszona rozchodzi się
od krawędzi nieciągłości we wszystkich kierunkach i dzięki
temu zawsze może być zarejestrowana przez głowicę odbiorczą.
Na rysunku
5 pokazano tory impulsów ultradźwiękowych (nr 2 i nr 3),
które dochodzą do głowicy odbiorczej wskutek dyfrakcji
na górnej oraz dolnej krawędzi wady. Z uwagi na długość
przebytej drogi impulsy te pojawią się między impulsem
fali podpowierzchniowej a impulsem echa dna. Istnieje
ważna różnica między impulsami ulegającymi dyfrakcji na
dolnej i górnej krawędzi wady. Impulsy ulegające dyfrakcji
na dolnej krawędzi wady nie zmieniają swojej fazy, zaś
impulsy ulegające dyfrakcji na górnej krawędzi wady zmieniają
fazę o 180". Czasy przejścia impulsów rozproszonych
na krawędziach wady umożliwiają wyznaczenie głębokości
i wysokości wady na podstawie prostych zależności geometrycznych.
Technika badania
Schemat układu
badawczego techniki TOFD przedstawiony został na rysunku
6.
|
|
|
Rys.6. Schemat
blokowy zmechanizowanego systemu TOFD firmy NDTEST
|
Głowice ultradźwiękowe
zamontowane są w uchwytach skanera, symetrycznie względem
środka badanej spoiny. Skaner zapewnia przemieszczanie
głowic oraz odmierzanie drogi ich przesuwu wzdłuż spoiny.
Głowice podłączone są do karty nadajnika/odbiornika ultradźwiękowego
stanowiącej integralną cześć przenośnego komputera sterującego
badaniem. Przebiegi ultradźwiękowe rejestrowane przez
głowicę odbiorczą są wzmacniane, a następnie zamieniane
na formę cyfrową przez przetwornik analogowo-cyfrowy.
Badanie spoiny
polega na przesuwaniu układu głowic wzdłuż spoiny i sukcesywnym
(zazwyczaj co 1mm) zapisywaniu w pamięci komputera próbkowanych
sygnałów ultradźwiękowych.
W rezultacie
opisanej akwizycji danych w pamięci komputera gromadzone
są zobrazowania typu A odpowiadające kolejnym 1 mm odcinkom
długości spoiny. Zapisy te zamieniane są przez program
komputerowy na zobrazowanie typu B bedące rodzajem podłużnego
przekroju spoiny.
Przebieg obróbki
sygnałów pokazano schematycznie na rysunku 7. Każde zarejestrowane
zobrazowanie typu A zamieniane jest na jedną linię zobrazowania
typu B w taki sposób, że odcień szarości linii w danym
punkcie odpowiada amplitudzie sygnału. Linie odpowiadające
kolejnym punktom na długości spoiny układane są obok siebie,
budując obraz typu B.
|
|
|
Rys.7. Sposób
uzyskiwania zobrazowania typu B na podstawie szeregu
zarejestrowanych zobrazowań typu A.
|
W
dostępnych obecnie rozwiązaniach aparaturowych (np. firmy
AEA Technology) obróbka sygnałów przeprowadzana jest w
czasie rzeczywistym, a tworzone przez komputer zobrazowanie
typu B wyświetlane jest na ekranie monitora w czasie skanowania
spoiny. Po zakończeniu badania wyniki zapisywane są na
twardym dysku komputera i mogą być poddane dokładniejszej
analizie w późniejszym czasie.
Zastosowanie
techniki TOFD
Technika TOFD
może być stosowana jako technika samodzielna lub w połączeniu
z techniką echa, jako element większych systemów ultradźwiękowych
[3], [4].
Duże znaczenie
ma elastyczność techniki TOFD pozwalająca na stosowanie
jednego systemu badawczego do kontroli spoin o różnej
geometrii i grubości. Dzięki temu technika ta może być
efektywnie stosowana również przy kontroli instalacji
technologicznych cechujących się dużym zróżnicowaniem
typów i wymiarów spoin. Badania mogą być wykonywane przy
użyciu lekkich, przenośnych zestawów, w których skanowanie
można wykonywać zarówno ręcznie, jak i w sposób zmechanizowany.
Niezależnie od rodzaju skanera, zapis danych jest zawsze
w pełni automatyczny (skanery ręczne są również wyposażone
w hodometry do odmierzania drogi przesuwu).
W sytuacji,
gdy badania obejmują większe ilości powtarzalnych spoin,
możliwe jest pełne zautomatyzowanie techniki TOFD. W firmie
NDTEST opracowano i wdrożono zmechanizowany system TOFD
przeznaczony do masowych badań spoin obwodowych rurociągów
dalekosiężnych.
System zbudowany
został na bazie aparatu MinUT-TOFD firmy AEA Technology.
Schemat blokowy urządzenia pokazano na rysunku 6. Cała
aparatura ultradźwiękowa i sterująca umieszczona została
wewnątrz samochodu terenowego wyposażonego dodatkowo we
własne źródło zasilania (generator 220V) oraz zbiornik
wody stosowanej jako sprzężenie akustyczne. Skaner skonstruowano
na bazie wózka napędzanego silnikiem elektrycznym i dociskanego
do powierzchni rury za pomocą naprężonej taśmy stalowej.
Konstrukcja systemu napędowego umożliwia jego stosowanie
na rurociągach o średnicach od DN 400 do DN 1500. Bardziej
szczegółowy opis układu przedstawiono w pracy [5].
Opisany system
zastosowano do kontroli spoin obwodowych ponad 30 km odcinka
rurociągu przesyłowego DN 1000. Techniką TOFD przebadano
ogółem 1957 spoin, z czego 356 było dodatkowo zbadanych
metodą radiograficzną.
Wyniki przeprowadzonych
badań stanowiły cenny materiał porównawczy pozwalający
na praktyczną weryfikację ultradźwiękowej techniki TOFD
w odniesieniu do tradycyjnej techniki radiograficznej
(Gammamat M18 ze źródłem Ir192), Szczegółową analizę porównawczą
obu technik badawczych przedstawiono w pracy [5]. Poniżej
podano kilka najważniejszych wniosków wynikających z przeprowadzonych
badań.
Jednym z rozpatrywanych
kryteriów porównawczych była łączna długość wad wykrytych
przez każdą z metod badawczych na tych samych spoinach.
Wykres ilustrujący tę zależność dla 356 spoin zbadanych
zarówno techniką TOFD, jak i techniką radiograficzną pokazano
na rysunku 8. W zestawieniu uwzględniono jedynie wady
ocenione przez każdą z technik jako niedopuszczalne.
|
|
|
Rys.8. Sumaryczne
długości wad, które wykryto w 365 spoinach metodami
TOFD oraz RT.
|
Widoczne jest,
że technika TOFD wykazała, na tych samych spoinach, wady
o sumarycznej długości ponad 3-krotnie większej niż technika
radiograficzna. Wadliwość liniowa, obliczana jako stosunek
długości odcinków wadliwych do całkowitej długości zbadanych
spoin wyniosła odpowiednio: dla techniki TOFD 0,6%, a
dla techniki radiograficznej 0,18%. W wielu wypadkach
wady wykryte przez TOFD były niewidoczne na radiogramach
spoin. Dla rozstrzygnięcia wątpliwości prowadzono specjalne
badania weryfikacyjne, polegające na sukcesywnym szlifowaniu
wątpliwych odcinków spoin i badaniu magnetyczno-proszkowym.
Badania takie zawsze potwierdzały występowanie wad wskazanych
przez TOFD. Przykładowy zapis badania TOFD ze wskazaniem
wady niewidocznej na radiogramie pokazano na rysunku 9.
Wada ta została potwierdzona podczas szlifowania spoiny
i oceniona jako wewnętrzne pękniecie podłużne.
|
|
|
Rys.9. Ultrasonogram
TOFD odcinka spoiny DN 1000 ze wskazaniem wady płaskiej
nie wykrytej w badaniu radiograficznym.
|
W tablicy 1 podano sumaryczne zestawienie pokazujące zakres
zgodności co do ostatecznej oceny spoiny dokonanej na
podstawie badań TOFD i RT.
|
Tablica1.
Porównanie ostatecznych ocen spoin na podstawie
badań TOFD i RT.
|
|
A- akceptacja,
R- brak akceptacji
|
|
Liczba Spoin
|
Wynik TOFD
|
Wynik RT
|
% spoin
|
|
252
|
A
|
A
|
70,8%
|
|
15
|
R
|
R
|
4,2%
|
|
56
|
R
|
A
|
15,7%
|
|
33
|
A
|
R
|
9,2%
|
W przedstawionym porównaniu zgodność ocen między obiema
technikami badawczymi wynosi 75%. Jeśli chodzi o oceny
rozbieżne, to w 15,7% spoin spowodowane to było odrzuceniem
przez TOFD spoin akceptowanych w badaniu radiogrzficznym,
zaś w 9,2% odrzuceniem przez radiografię spoin akceptowalnych
przez TOFD.
Szczegółowe
porównanie zdolności wykrywania poszczególnych rodzajów
wad przez obie techniki przedstawiono w pracy [5]. Ogólnie
stwierdzić można, że wady płaskie, jak np. przyklejenia,
były zdecydowanie lepiej wykrywalne techniką TOFD, zaś
wady objętościowe techniką radiograficzną. Jednakże zarówno
łączna długość wykrytych wad, jak też ich znaczenie dla
bezpieczeństwa konstrukcji wskazywałyby na wyższość techniki
TOFD nad tradycyjną techniką radiograficzną.
9. Podsumowanie
W
referacie przedstawiono aktualne trendy rozwojowe w zakresie
nieniszczących badań złączy spawanych. Wiążą się one,
w pierwszym rzędzie, z automatyzacją badań ultradźwiękowych
i wykorzystaniem w nich cyfrowych technik obróbki sygnału
oraz komputerów. Zautomatyzowane badania ultradźwiękowe
znalazły najszersze zastosowanie w badaniach złączy obwodowych
rurociągów dalekosiężnych.
Ważnym kierunkiem
rozwoju zautomatyzowanych badań ultradźwiękowych jest
dyfrakcyjna technika czasu przejścia TOFD. Technika ta
nie wymaga konstruowania specjalizowanych, wielogłowicowych
skanerów, dzięki czemu może być efektywnie stosowana do
kontroli złączy spawanych zarówno na rurociągach przesyłowych,
jak też na instalacjach technologicznych w przemyśle chemicznym
i energetyce. Dotychczasowe doświadczenia z zastosowaniem
techniki TOFD w Polsce dotyczą głównie badań spoin obwodowych
rurociągów dalekosiężnych. W firmie NDTEST opracowano
specjalny, zmechanizowany system TOFD do wysokowydajnej
kontroli złączy rurociągów.
W najbliższej
przyszłości, w dziedzinie badań nieniszczących złączy
spawanych należy oczekiwać stałego rozszerzania zakresu
zastosowań technik ultradźwiękowych z automatyczną rejestracją
wyników. Istotne znaczenie dla upowszechnienia techniki
TOFD będzie miało wprowadzenie normy europejskiej ENV
583-6 [6].
Należy jednak
zaznaczyć, że w pewnych przypadkach, np. dla spoin o złożonej
geometrii, najbardziej odpowiednią techniką kontroli pozostaną
nadal ręczne badania ultradźwiękowe. Wykładnikiem postępu
w tej dziedzinie będzie stosowanie coraz doskonalszych
cyfrowych defektoskopów ultradźwiękowych.
Literatura
1. Ginzel E., Lozev M.G.: Code Review: Time-of-FIight
Diffraction and Pulse Echo Line Scanning, NDT.net - February
2001, Vol.6, No.2.
2. Deputat J.: Dyfrakcja fal ultradźwiękowych na szczelinie.
Materiały seminarium "Ultradźwiękowe Badania Materiałów",
Zakopane 1997.
3. Mackiewicz S.: Skomputeryzowana
metoda TOFD - Nowe podejście do badań spoin. Materiały
seminarium "Ultradźwiękowe Badania
Materiałów", Zakopane 1997.
4. De Gaus S.J., Dijkstria F.H., Bouma T.: Advances inTOFD
Inspection. Proceedings of 15 WCNDT, Rome 2000.
5. Mackiewicz S., Kopiński J.: Doświadczenia
z zastosowań ultradźwiękowej techniki TOFD. Materiały
seminarium "Nieniszczące Badania Materiałów",
Zakopane 2001.
6. ENV 583-6 Non-destructive testing - Ultrasonic examination
- Part 6: Time-of-flight-diffraction technique as a method
for detection and sizing of discontinuities (aktualnie
w opracowaniu jest polski odpowiednik: PN-M-70060 Badania
nieniszczące - Badania ultradźwiękowe - Dyfrakcyjna technika
czasu przejścia jako metoda wykrywania i wymiarowania
nieciągłości).