Sławomir Mackiewicz

1. Wstęp
2. Podstawy fizyczne metody TOFD
3. Sposób obróbki sygnałów i wizualizacja wskazań
4. Interpretacja wyników badania
5. Wiarygodność i dokładność metody TOFD
6. Podsumowanie

 

1. Wstęp

Metoda TOFD (Time-Of-Flight Diffraction) polega na wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji fal ultradźwiękowych do wykrywania i oceny wad materiałów. Od wielu lat znane są zastosowania tej techniki do wymiarowania wad, a w szczególności do wyznaczania głębokości pęknięć [1],[2]. W ostatnich latach, dzięki wprowadzeniu nowoczesnej techniki komputerowej, metoda TOFD uzyskała znacznie szersze możliwości zastosowań w badaniach nieniszczących. Obecnie może być ona stosowana jako podstawowa metoda badań nieniszczących spoin w warunkach przemysłowych.
Dzięki komputerowej rejestracji danych pomiarowych metoda TOFD zapewnia pełną dokumentację wyników badania oraz możliwość ich analizy i weryfikacji w dowolnym czasie. Przeprowadzone badania porównawcze wskazują, że współczynnik wykrywalności wad jest wyższy niż w przypadku standardowych metod ultradźwiękowych oraz radiograficznych. Szybkość badania jest przy tym znacznie wyższa niż w przypadku ręcznych badań ultradźwiękowych. Dzięki licznym zaletom metoda TOFD zaczyna być coraz częściej stosowana jako podstawowa metoda badań nieniszczących spoin podczas budowy złożonych instalacji technologicznych w przemyśle rafineryjnym i energetyce atomowej.
W związku z szybkim rozwojem możliwości technicznych metody TOFD oraz jej coraz szerszym stosowaniem w praktyce przemysłowej powstały pierwsze dokumenty normatywne precyzujące zasady jej stosowania. Pierwszym tego rodzaju dokumentem o randze normy państwowej była norma brytyjska BS 7706 [4]. Ponadto trwają intensywne prace nad bardziej kompleksowym standardem europejskim, którego wstępny projekt oznaczono symbolem pr-EN 853 pt 6.
W niniejszym referacie przedstawiono podstawy fizyczne metody TOFD oraz rozwiązania techniczne, na których opiera się jej nowoczesna, skomputeryzowana wersja. Omówiono podstawowe zasady interpretacji wyników badania oraz pokazano przykładowe wskazania od typowych wad spoin. Wyeksponowano liczne zalety metody TOFD wskazując jednak na jej pewne ograniczenia.

2. Podstawy fizyczne metody TOFD
W standardowych badaniach ultradźwiękowych spoin wykorzystuje się tzw. metodę echa polegającą na rejestrowaniu ech ultradźwiękowych odbitych od wad znajdujących się w badanej objętości materiału. Czas przejścia i amplituda impulsu echa ultradźwiękowego stanowią podstawę do oceny położenia i rozmiarów wykrytej wady. Wiadomo jednak, że amplituda echa wady zależy nie tylko od jej rozmiarów lecz także od kształtu i orientacji wady względem kierunku rozchodzenia się fali ultradźwiękowej. Fakt ten stanowi poważne źródło trudności przy ocenie wyników badań ultradźwiękowych wykonywanych metodą echa. Chcąc zapewnić wysokie prawdopodobieństwo wykrycia wszystkich możliwych wad należy przeprowadzać wielokrotne skanowanie spoiny przy użyciu głowic ultradźwiękowych o różnych kątach załamania i z kilku obszarów przesuwu.
Metoda TOFD opiera się na odmiennych podstawach fizycznych niż metoda echa. Oprócz zjawiska odbicia wykorzystuje ona zjawisko dyfrakcji fal ultradźwiękowych. W czasie badania rejestrowane są impulsy fal ultradźwiękowych rozproszone dyfrakcyjnie na krawędziach wady. Zasadę badania przedstawiono na rys.1.
Podstawą układu pomiarowego są dwie głowice skośne fal podłużnych, ustawione przeciwsobnie po obu stronach spoiny. Badanie przeprowadzane jest metodą przepuszczania. Głowica nadawcza wytwarza wiązkę fal ultradźwiękowych, która obejmuje praktycznie całą objętość badanej spoiny. Fale ultradźwiękowe wysłane przez głowicę nadawczą docierają do głowicy odbiorczej po różnych torach oznaczonych na rys.1.

Rys.1. Schemat badania spoin metodą TOFD

Część energii ultradźwiękowej przechodzi bezpośrednio między głowicą nadawczą i głowicą odbiorczą jako tzw. fala podpowierzchniowa typu L. Ze względu na najkrótszą drogę przejścia impuls fali podpowierzchniowej dochodzi do głowicy odbiorczej jako pierwszy (impuls nr 1 na rys.2.). Impuls fali podpowierzchniowej dochodzi do głowicy odbiorczej bez zmiany fazy.
Dolna część wiązki ultradźwiękowej dociera do głowicy odbiorczej po odbiciu się od przeciwległej powierzchni badanego materiału. Impuls ultradźwiękowy przechodzący po tej drodze oznaczony jest na rys.2 nr 4. Wskutek odbicia od granicy z ośrodkiem o mniejszej impedancji akustycznej (powietrze) impuls ten dochodzi do głowicy odbiorczej z odwróconą fazą.

Rys.2. Zobrazowanie typu A impulsów ultradźwiękowych rejestrowanych podczas badania metodą TOFD

Impuls związany z propagacją fali podpowierzchniowej (nr1) oraz impuls powstający wskutek odbicia fali od dna materiału (nr4) są rejestrowane przez układ pomiarowy 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 dodatkowe impulsy powstające wskutek oddziaływania fal ultradźwiękowych z ewentualnymi wadami materiału.
W przypadku, gdy w badanej objętości materiału znajduje się nieciągłość materiału (wada) fala ultradźwiękowa oddziaływuje z nią w różnoraki sposób. Przeważająca część energii ultradźwiękowej ulega odbiciu od powierzchni wady zgodnie z prawami optyki geometrycznej. Fala odbita od wady może być zarejestrowana przez głowicę odbiorczą tylko wówczas gdy kierunek odbicia fali pokrywa się z kierunkiem głowicy odbiorczej. Sytuacja taka wystąpić może w szczególnych przypadkach (np. rozwarstwienia równoległe do powierzchni materiału), jednak w większości przypadków fala odbija się od wady w kierunku innym niż kierunek głowicy odbiorczej.
Oddziaływanie fali ultradźwiękowej z nieciągłością materiału nie ogranicza się jednak tylko do odbicia zgodnego z prawami optyki geometrycznej. Fala ultradźwiękowa, podobnie jak fale świetlne czy fale na wodzie, ulega dyfrakcyjnemu ugięciu i rozproszeniu na krawędziach przeszkody. Wskutek zjawiska dyfrakcji fala rozproszona rozchodzi się od krawędzi wady we wszystkich kierunkach, przy czym jej amplituda jest stosunkowo niewielka i silnie zależna od kierunku propagacji.
Na rys.1. pokazano tory impulsów ultradźwiękowych (nr2 i nr3), które dochodzą do głowicy odbiorczej wskutek dyfrakcji na górnej lub dolnej krawędzi wady. Z uwagi na długość przebytej drogi impulsy te będą pojawiać się między impulsem fali podpowierzchniowej a impulsem odbitym od 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 1800. Wszystkie omówione impulsy przedstawiono schematycznie na rys.2.
Czasy opóźnienia impulsów rozproszonych dyfrakcyjnie na krawędziach wady stanowią podstawę do dokładnej oceny głębokości i wysokości wady. Z prostych obliczeń geometrycznych drogi poszczególnych impulsów wynika, że głębokość rozpraszajacej krawędzi wady (dyfraktora) dana jest wzorem:

	(1)
gdzie: yi - głębokość rozpraszającej krawędzi wady (dyfraktora), ti - czas opóźnienia impulsu dyfrakcyjnego względem impulsu fali podpowierzchniowej, cL - prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej w materiale, 2S - odległość między środkami głowic ultradźwiękowych

Podany wzór ma charakter przybliżony, niemniej jednak jest wystarczająco dokładny dla większości praktycznych zastosowań metody TOFD.
Zależność między czasem opóźnienia impulsów dyfrakcyjnych a głębokością krawędzi rozpraszającej jest podstawową zależnością wykorzystywaną w metodzie TOFD. Różniczkując ją względem czasu ti otrzymuje się wyrażenie określające dokładność pomiaru głębokości krawędzi wady:

	(2)
gdzie: Dyi - dokładność pomiaru głębokości krawędzi wady, Dti - dokładność pomiaru czasu opóźnienia impulsu dyfrakcyjnego

Z analizy powyższego wyrażenia wynika, że błąd pomiaru głębokości wady Dyi jest wprost proporcjonalny do błędu pomiaru czasu opóźnienia impulsu - Dti. Im wyższa precyzja pomiaru czasu przejścia impulsów tym wyższa dokładność wyznaczenia głębokości wady. Dokładność ta zależy ponadto od odległości pomiędzy głowicami 2S oraz głębokości wady yi .
W układzie pomiarowym metody TOFD należy więc stosować głowice ultradźwiękowe o możliwie krótkim impulsie (tzw. szerokopasmowe) oraz układy elektroniczne umożliwiające dokładny pomiar czasu przejścia impulsów. Dodatkowo głowice te powinny być ustawione w możliwie bliskiej odległości od siebie (małe S).
Niezależnie od doboru parametrów układu pomiarowego (Dti oraz S) dokładność metody zawsze maleje dla wad położonych blisko powierzchni (małe yi). Ograniczenie to wynika z samej zasady metody TOFD i stanowi jej najpoważniejszą wadę.
Jak wynika z przeprowadzonej dyskusji amplituda rejestrowanych impulsów dyfrakcyjnych ma drugorzędne znaczenie dla oceny wykrytych wad, musi być jednak na tyle duża, by umożliwić detekcję impulsów dyfrakcyjnych na tle szumów strukturalnych i elektronicznych.

3. Sposób obróbki sygnałów i wizualizacja wskazań

Schemat układ pomiarowego do badania spoin metodą TOFD przedstawiony został na rys.3. W skład zestawu wchodzą opisane powyżej głowice ultradźwiękowe zamocowane w uchwycie skanera/manipulatora, symetrycznie względem środka badanej spoiny. Skaner zapewnia automatyczny przesuw głowic wzdłuż spoiny oraz precyzyjny pomiar położenia głowic na długości spoiny. Głowice ultradźwiękowe podłączone są do karty nadajnika/odbiornika ultradźwię-kowego stanowiącej integralną część przenośnego komputera sterującego badaniem.
Impulsy ultradźwiękowe rejestrowane przez głowicę odbiorczą są wzmacniane a następnie zamieniane na formę cyfrową przez szybki przetwornik analogowo-cyfrowy. Częstotliwość próbkowania przebiegów czasowych impulsów powinna być minimum 4 razy większą niż częstotliwość rezonansowa stosowanych głowic. Dla uzyskania wysokiej jakości zobrazowania zalecana jest jednak znacznie wyższa częstotliwość próbkowania.

Rys. 3. Schemat układu pomiarowego do badania spoin metodą TOFD

Badanie spoiny skomputeryzowaną metodą TOFD polega na automatycznym przesuwaniu układu głowic wzdłuż spoiny i zapisywaniu w pamięci komputera spróbkowanych przebiegów ultradźwiękowych w poszczególnych punktach na długości spoiny. Punkty próbkowania i zapisu przebiegów ultradźwiękowych (zobrazowań typu A bez detekcji) rozłożone są na długości spoiny regularnie co 1 lub 2 mm.
W rezultacie opisanej akwizycji danych w pamięci komputera gromadzone są spróbkowane przebiegi ultradźwiękowe odpowiadające kolejnym przekrojom poprzecznym spoiny, milimetr po milimetrze (rys. 4). Przebiegi te zamieniane są przez komputer na zobrazowanie typu D obrazujące przekrój podłużny spoiny.
Przebieg obróbki sygnałów jest następujący. Każde spróbkowane zobrazowanie typu A (takie jak na rys.2.) zamieniane jest na jedną pionową linię zobrazowania typu D w taki sposób, że odcień szarości linii w danym punkcie odpowiada amplitudzie sygnału. Odcinki sygnału o amplitudzie dodatniej są przekształcane na odcienie jaśniejsze, zaś odcinki o amplitudzie ujemnej na odcienie ciemniejsze od średniego poziomu szarości. Linie odpowiadające kolejnym punktom na długości spoiny układane są obok siebie budując obraz przekroju podłużnego spoiny. Fazy konstrukcji opisanego zobrazowania typu D przedstawiono na rys.4.

Rys.4. Sposób uzyskiwania zobrazowania typu D przekroju podłużnego spoiny z szeregu zobrazowań typu A zarejestrowanych podczas przesuwu głowic wzdłuż spoiny.

W dostępnych obecnie rozwiązaniach aparaturowych (np. firmy AEA Sonomatic) cyfrowa obróbka sygnału przeprowadzana jest w czasie rzeczywistym. Prędkość przesuwu układu głowic ultradźwiękowych wzdłuż spoiny może przy tym wynosić ok. 30 mm/sek. Tworzone przez komputer zobrazowanie typu D budowane jest na ekranie monitora równocześnie z przesuwem głowic. Umożliwia to wstępną ocenę spoiny przez operatora bezpośrednio po zakończeniu badania. Wyniki badania zapisywane są na twardym dysku komputera i mogą być wyświetlone i poddane dalszej analizie w późniejszym czasie.

4. Interpretacja wyników badania

Uzyskane w wyniku badania zobrazowanie typu D (rys.4) odpowiada podłużnemu przekrojowi spoiny w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni lica. Na osi rzędnych znajduje się współrzędna odpowiadająca długości spoiny, zaś na osi odciętych czas przejścia impulsów, który na mocy zależności (1) odpowiada współrzędnej w kierunku grubości spoiny.
Czarno białe linie poziome w górnej części zobrazowania typu D obrazują zarejestrowane impulsy fali podpowierzchniowej (impuls nr1 na rys.2). Podobne linie w dolnej części obrazu przedstawiają impulsy zarejestrowane po odbiciu od powierzchni wewnętrznej materiału (impuls nr4 na rys.2). Pomiędzy tymi dwoma zespołami linii odniesienia znajduje się obszar odpowiadający pełnej grubości spoiny. W obszarze tym mogą być uwidaczniane wskazania od wad mające postać mniej lub bardziej nieregularnych odcinków linii.
Na rys.5 przedstawiono kilka przykładów wskazań metody TOFD pochodzących od typowych wad spawalniczych. Na rys.5a pokazano obraz pęknięcia wychodzącego od powierzchni wewnętrznej, zaś na rys.5b obraz pęknięcia wychodzącego od powierzchni zewnętrznej badanej spoiny. W drugim przypadku występuje charakterystyczne przesunięcie w dół impulsu fali podpowierzchniowej.
Wskazanie na rys.5c może pochodzić od żużla pasmowego lub przyklejenia międzywarstwowego, zaś wskazanie uwidocznione na rys.5d jest charakterystyczne dla wad przetopu lub niedopasowania ścianek.
Zobrazowanie typu D nie zawsze wystarcza do jednoznacznego zidentyfikowania i zwymiarowania wykrytej wady. W przypadkach wątpliwych wykonuje się dodatkowe badanie polegające na skanowaniu spoiny w kierunku prostopadłym do jej osi. W wyniku tego rodzaju skanowania otrzymuje się zobrazowanie typu B przekroju poprzecznego spoiny. Informacja uzyskana z obu zobrazowań pozwala, w większości przypadków, na jednoznaczne określenie rodzaju wady oraz jej dokładne zwymiarowanie.
Ocena wyników badania metodą TOFD wymaga pewnej wprawy i doświadczenia w rozpoznawaniu wad na podstawie ich zobrazowań i pod tym względem przypomina interpretację i ocenę radiogramów. Ogromną zaletą metody TOFD jest jednak fakt, że interpretowany obraz odpowiada przekrojowi spoiny w płaszczyźnie pionowej nie zaś jej widokowi z góry.

a
b
c
d

Rys.5. Przykładowe wskazania wad spoin uzyskane metodą TOFD.

 

5. Wiarygodność i dokładność metody TOFD

W związku z szybkim wzrostem zastosowań skomputeryzowanej metody TOFD do badań odpowiedzialnych konstrukcji technicznych (np. w energetyce jądrowej i przemyśle rafineryjnym) podjęto szereg programów badawczych mających na celu ustalenie tzw. wiarygodności tej metody. Na wiarygodność metody (tzw. reliability) składają się dwa podstawowe elementy: prawdopodobieństwo wykrywania wad - POD oraz prawdopo-dobieństwo fałszywych wskazań - FCR. Bardzo ważną cechą metody jest również dokładność określania rozmiarów wykrytych wad. W jednym z takich programów, zrealizowanym w ostatnich latach w Holenderskim Instytucie Spawalnictwa NIL [5], przeprowadzono badania porównawcze specjalnie przygoto-wanych spoin, o grubościach od 6 do 15 mm. Przebadane spoiny zawierały łącznie 244 wady, które próbowano wykryć metodami radiograficznymi (X i gamma) oraz ultradźwiękowymi (badania ręczne oraz metoda TOFD). Uzyskane wyniki zestawiono w tab.1.

Metoda badania	POD	FCR	POD(1-FCR)
UT - ręczne	52,3%	22,7%	0,40
RT - y	60,1%	10,8%	0.53
RT - X	66,2%	15,5%	0,56
TOFD	82,4%	11,1%	0,73

Tabela 1. Wyniki porównawczych badań wiarygodności różnych metod badań nieniszczących. POD (Probability Of Detection) - prawdopodobieństwo wykrycia wady, FCR ( False Calls Rate) - prawdopodobieństwo fałszy-wych wskazań, POD(1-FCR) (Reliability) - wskaźnik wiarygodnośći metody.

Z porównania wyników testu wynika jednoznacznie, że metoda TOFD góruje nad pozostałymi, mając zarówno najwyższe prawdopodobieństwo wykrywania wad, jak też najniższy wskaźnik fałszywych wskazań. Warto również zwrócić uwagę na stosunkowo niskie wskaźniki wiarygodności ręcznych badań ultradźwiękowych. Wynik ten potwierdza słuszność obserwowanego w ostatnich latach trendu odchodzenia od tego rodzaju badań i zastępowania ich badaniami zautomatyzowanymi.
W innym programie badawczym, zrealizowanym w amerykańskim instytucie EPRI [6] dokonano porównania możliwości wymiarowania wad za pomocą różnych technik badań ultradźwiękowych. Również w tych badaniach zdecydowanie najlepsze wyniki osiągnęła metoda TOFD dając błędy pomiarowe poniżej 1mm, podczas gdy techniki wymiarowania oparte na pomiarze obwiedni echa wady dawały błędy dochodzące do kilkunastu milimetrów.
W wyniku podobnych programów weryfikowania wiarygodności, metoda TOFD uzyskała szereg formalnych akceptacji, które umożliwiły jej stosowanie do badania odpowiedzialnych konstrukcji spawanych, między innymi, w elektrowniach jądrowych.

6. Podsumowanie

Doświadczenia dotyczące stosowania metody TOFD uzyskane w krajach zachodnich w ostatnich latach wskazują, że ta metoda badania spoin stanowi korzystną alternatywę w stosunku do tradycyjnych metod radiograficznych i ultradźwiękowych. Podstawowe zalety metody TOFD to:

• wysoka wykrywalność wad połączona z niskim wskaźnikiem fałszywych wskazań
  
• możliwość dokładnego pomiaru zarówno długości, jak też głębokości i wysokości wad
  
• zobrazowanie spoiny w przekroju podłużnym, prostopadle do lica
  
• pełny zapis komputerowy wyników badania umożliwiający późniejszą analizę wyników z wykorzystaniem specjalnych narzędzi programowych
  
• możliwość badania spoin o grubościach od 6 do 300 mm
  
• duża szybkość badania, niezależnie od grubości spoin
  
• uniwersalność i mobilność metody polegająca na możliwości przeprowadzania badań spoin o różnych średnicach i grubościach za pomocą jednego przenośnego zestawu pomiarowego

Warto zwrócić uwagę na ważną różnicę, co do obszaru zastosowań, między metodą TOFD a automatycznymi badaniami ultradźwiękowymi spoin przy użyciu systemów, takich jak MIPA firmy SGS-Gottfeld czy Rotoscan firmy RTD. Systemy te pracują w oparciu o metodę echa i wykorzystują wielogłowicowe skanery, w których położenia i kąty głowic muszą być precyzyjnie dobrane do grubości i geometrii spoiny. Każda geometria spoiny wymaga odmiennego zestawu głowic oraz specjalnego wzorca kalibracyjnego. Rozwiązania tego typu mogą być więc efektywnie stosowane jedynie przy badaniach obiektów o dużej liczbie jednakowych, powtarzających się spoin. W rezultacie systemy te znajdują zastosowanie głównie do badań spoin na rurociągach dalekiego zasięgu.
W odróżnieniu od tego metoda TOFD może być efektywnie wykorzystywana na obiektach, w których występuje duże zróżnicowanie spoin co do średnicy, grubości i typu. Głównym obszarem zastosowań metody mogą więc być badania spoin na różnego rodzaju instalacjach w przemyśle rafineryjnym, chemicznym oraz w energetyce.

Literatura

1. Mackiewicz S., Górzny J., Kiersnowski M., Pawłowski Z., Ultrasonic detection and depth measurement of cracks in thick welds., XI World Conference on Non-Destructive Testing, Las Vegas 1985.
   
2. Mackiewicz S., Górzny J., Kiersnowski M., Pawłowski Z., Wykorzystanie dyfrakcji fal ultradźwiękowych do pomiaru głębokości pęknięć. XIV KKBN, Kiekrz 1985
   
3. Silk M.G., The Interpretation of TOFD Data in the Light of ASME XI and similar rules,
   British Journal of NDT, Vol 31, No5, May 1989.
   
4. BS 7706: 1993 Calibration and settin-up of the ultrasonic time of flight diffraction (TOFD) technique for the detection, location and sizing of flaws.
   
5. J.Verkooijen, TOFD used to replace radiography., Insight, Vol 37, No 6, June 1995.
   
6. K.S.Venkataraman and A. McLay., The performance of the time of flight diffraction (TOFD) technique in various international round robin trials and the continuing work underway., 14th Word Conference on Non-Destructive Testing, New Delhi, India, 1996