Marek Śliwowski
Sławomir Mackiewicz
Antoni Zbyszewski

Zautomatyzowana kontrola ultradźwiękowa spoin
obwodowych rurociągów

l.Wstęp

W budowie rurociągów przesyłowych dzienna produkcja spoin obwodowych w ilości 100 i więcej sztuk jest często zjawiskiem normalnym (szczególnie dla automatycznych czołówek spawalniczych). W tej sytuacji staje się niezbędnym unowocześnianie i poszukiwanie nowych technik oceny jakości spoin łączących w sobie takie cechy jak: duża wydajność - natychmiastowy wynik badania, obiektywność - uzyskanie powtarzalności wyniku badania np. przez zmechanizowanie skanowania, wystarczająca wykrywalność -detekcja wszystkich niedopuszczalnych defektów.
Kontrola złączy spawanych metodami nieniszczącymi (NDT) stanowi zasadniczy czynnik w zapewnieniu jakości spoin. Przez dziesięciolecia prawie wyłącznie jako główną metodę stosowano technikę radiograficzną z elementami automatyzacji (crawlery i automatyczne wywoływarki). Jednakże, jak wiadomo technika ta ma swoje zasadnicze ograniczenie wyrażające się czasem od wykonania ekspozycji do wywołania i oceny radiogramu. Niebagatelną rolę grają tu także czynniki: ekologiczny (promieniowanie) i ekonomiczny - .

Analiza kosztów badania spoin urządzeniem do zautomatyzowanych badań Rotoscan oraz tradycyjnymi metodami radiograficznymi w zależności od dziennej produkcji spoin na rurociągach o różnych zakresach średnic

 

 

Obecnie coraz częściej daje się zaobserwować, szczególnie przy dużych projektach rurociągowych bądź przy układaniu rurociągów na dnie mórz, że zmechanizowane badania ultradźwiękowe stanowią uzupełnienie bądź wręcz zastępują całkowicie radiografię. Momentem przełomowym był tu rozwój technik komputerowych i mikroprocesorowych, co pozwoliło na rejestrację i cyfrową obróbkę sygnałów ultradźwiękowych w czasie rzeczywistym. Następnym bardzo istotnym krokiem w technice wspomaganych komputerowo zautomatyzowanych badań ultradźwiękowych stało się wdrożenie nowych metod zobrazowania wyników (tzw. mapping - Rotomapa i technika TOFD) - pozwalających na natychmiastową interpretację i określenie wielkości wszystkich występujących defektów dla prawie wszystkich typów złączy i zastosowanie odpowiednich standardów kryteriów akceptacji.
W świetle powyższych uwag wspomagane komputerowo zautomatyzowane systemy ultradźwiękowej kontroli spoin obwodowych otwierają nową erę w technice inspekcyjnej złączy rurociągowych.

2. Zakres referatu

Przedmiotem referatu jest omówienie podstawowych zasad zautomatyzowanych badań ultradźwiękowych spoin obwodowych rurociągów i przedstawienie wiodących urządzeń, do tego typu badań, używanych przez czołowe firmy inspekcyjne na świecie:

• MIPA (Multiple Immersion Probe Array) - SGS F.H.Gottfeld -Niemcy
  
• ROTOSCAN - RTD (Roentgen Technische Dienst) - Holandia
  
• PIPE CAT (Pipeline Computer Aided ultrasonic Testing) - AIB Vincotte -Belgia
  

3. Wyposażenie do badań

MIPA

System MIPA jest urządzeniem do automatycznej kontroli ultradźwiękowej spoin obwodowych rurociągów w fazie ich budowy .
Badanie jest przeprowadzane poprzez skanowanie spoiny w jednym przejściu wzdłuż obwodu spoiny za pomocą dwóch zespołów głowic ultradźwiękowych usytuowanych po obu stronach spoiny. Liczba i rozmieszczenie i kąty głowic są tak dobrane, aby ich wiązki pokryły całą objętość badanej spoiny.
Echa wad rejestrowane przez poszczególne głowice są porównywane, co do amplitudy z echami reflektorów odniesienia we wzorcu kalibracyjnym. Porówanie to stanowi podstawę do automatycznej oceny rejestrowanych wskazań.
Wyniki skanowania (amplitudy i czasy opóźnienia ech) są zapisywane w pamięci komputera, który dokonuje na ich podstawie oceny jakości spoiny (odrzucenie lub akceptacja) w oparciu o zaprogramowane wcześniej kryteria.

Schemat blokowy urządzenia MIPA

W skład systemu wchodzą następujące elementy:

• skaner z pierścieniem prowadzącym
  
• urządzenie sterujące ruchem skanera
  
• zbiornik i system zasilania wodą stanowiącą sprzężenie akustyczne
  
• wielokanałowy cyfrowy defektoskop ultradźwiękowy USIP20-GP 16
  
• komputer sterujący pracą systemu wraz z monitorem, drukarką i niezbędnymi interfejsami
  

Cały system zamontowany jest na samochodzie terenowym typu UNIMOG i posiada własne zasilanie elektryczne z generatora 220V.

ROTOSCAN
Podstawowym urządzeniem wykorzystywanym do przeprowadzania zautomatyzowanych badań ultradźwiękowych spoin obwodowych przez firmę RTD jest system ROTOSCAN .
System wykorzystuje dwa jednakowe zespoły głowic ultradźwiękowych umieszczane symetrycznie po obu stronach badanej spoiny. Spoina jest badana w całej objętości po jednokrotnym przejściu układu skanującego złożonego z opisanych poniżej zespołów głowic.

Schemat blokowy systemu Rotoscan

Jest to starsze rozwiązanie w stosunku do urządzenia MIPA, w szczególności, jeśli chodzi o część "hardwarową" ( analogowy defektoskop Sonolog, cięższa, trudniejsza w obsłudze mechanika skanera)
W celu wyeliminowania wpływu ech kształtu oraz ułatwienia interpretacji wyników badania, część z zastosowanych głowic ultradźwiękowych posiada zogniskowaną wiązkę ultradźwiękową.
PIPE CAT
Urządzenie belgijskiej firmy AIB Vincotte

. Jest to w chwili obecnej najnowocześniejsze z tego typu urządzeń pracujących na świecie, w którym zastosowano m.in.:

• zespoły głowic ultradźwiękowych i wysokorozdzielczą technikę TOFD
  
• zogniskowane głowice ultradźwiękowe i wielokanałową akwizycję danych
  
• kontrolowaną temperatura głowic ultradźwiękowych (autokorekta sygnału)
  
• 100% digitalizację sygnału
  
• natychmiastowy wynik badania
  
• wysoka dokładność określania wymiarów defektów (TOFD)
  
• możliwość stosowania kryteriów akceptacji ECA (Engineering Critical Assessment)
  opartych na mechanice pękania.
  

3.1 Wielokanałowy defektoskop ultradźwiękowy

W systemie MIPA wykorzystywany jest wielokanałowy cyfrowy defektoskop ultradźwiękowy typu USIP 20 GP 16 firmy Krautkramer o następujących parametrach:

• możliwość sterowania pracą defektoskopu bezpośrednio lub przez komputer
  
• liczba kanałów głowic: 16
  
• możliwość ustawienia w każdym kanale wzmocnienia w zakresie 0-112dB ze skokiem 0,1 dB
  
• możliwość ustawienia w każdym kanale do pięciu bramek elektronicznych do pomiaru amplitudy i czasu przejścia impulsów
  
• możliwość zapisu ustawionego zestawu parametrów pracy defektoskopu i odtworzenia ich w dowolnym czasie
  
• zakres częstotliwości głowic: 0,5 - 25 MHz
  
• częstotliwość powtarzania impulsów: regulowana w zakresie l0 Hz - 2,5kHz
  
• zobrazowanie typu A impulsów ultradźwiękowych rejestrowanych w dowolnie wybranym kanale
  

W systemie ROTOSCAN wykorzystywany jest wielokanałowy analogowy defektoskop ultradźwiękowy typu Sonolog o następujących parametrach:

• liczba sekwencji nadawczo-odbiorczych: 32
  
• liczba kanałów głowic: 32 o
  

możliwość dowolnego nastawienia w każdej sekwencji następujących parametrów:

• numeru kanału nadawczego - numeru kanału odbiorczego
  
• wzmocnienia
  
• początku i czasu trwania bramki monitora częstotliwość powtarzania impulsów P.R.F.: minimum 50 Hz możliwość ustawienia dla wszystkich kanałów progu rejestracji na dowolnie wybranym poziomie w zakresie od 5% do 100% pełnej wysokości ekranu przy stosowanych głowicach i wymaganych czułościach badania poziom szumu elektronicznego we wszystkich kanałach mniejszy niż poziom szumu akustycznego dla każdej sekwencji stosowanej podczas badania stosunek sygnału do szumu większy od 20 dB cyfrowy interfejs umożliwiający połączenie defektoskopu z komputerem
  
  

3.2 Urządzenia skanujące

MIPA

Skaner mechaniczny służy do przemieszczania zespołów głowic ultradźwiękowych wzdłuż obwodu spoiny. Skaner przesuwa się po specjalnym pierścieniu prowadzącym zapiętym w takiej odległości od spoiny, aby zespoły głowic rozmieszczone były symetrycznie względem osi spoiny.

Ogólny wygląd urządzenia skanującego

W skład skanera wchodzą:

• dwa symetryczne zespoły głowic ultradźwiękowych usytuowane po obu stronach badanej spoiny
  
• silnik elektryczny z systemem przekładni stanowiący napęd skanera
  
• enkoder do precyzyjnego pomiaru położenia skanera na obwodzie spoiny
  
• kabel łączący skaner z aparaturą sterującą zamontowaną w kontenerze pomiarowym
  

Zespoły głowic zamocowane są na specjalnym sprężynowym zawieszeniu
zapewniającym stały docisk do powierzchni badania oraz łatwe pokonywanie nierówności.
Sprzężenie akustyczne dla każdej głowicy kontrolowane jest poprzez potwierdzanie istnienia
echa od granicy woda/stal w obydwu zblokowanych zespołach głowic, do których
doprowadzany jest ośrodek sprzęgający.
Skaner zapewnia automatyczny przesuw zespołów głowic wzdłuż obwodu spoiny z
prędkością do 36 mm/s. Z uwagi na wykorzystanie jako materiału konstrukcyjnego tworzyw
sztucznych i aluminium zarówno skaner jak i pierścień prowadzący są lekkie i łatwe do
montażu/demontażu na rurociągu w warunkach terenowych.

ROTOSCAN
Skaner mechaniczny stosowany w systemie Rotoscan do prowadzenia zespołów głowic wzdłuż obwodu spoiny charakteryzuje się następującymi cechami:

• automatyczny przesuw podczas badania (skanowania)
  
• łatwy i szybki montaż/demontaż na pierścieniu prowadzącym
  
• możliwością montażu minimum 8 głowic ultradźwiękowych, z których każda może być indywidualnie ustawiona w wymaganej odległości od spoiny
  
• sprzężenie akustyczne kontrolowane dla każdej głowicy osobno lub dla pary głowic umieszczonych przeciwsobnie
  
• minimum 12 metrowej długości kabel łączący skaner z aparaturą elektroniczną systemu Rotoscan zainstalowaną w kontenerze na podwoziu samochodu terenowego
  
• wyposażeniem w enkoder (znacznik odległości) służący do określania położenia skanera na obwodzie spoiny.
  

3.3 Konfiguracja głowic ultradźwiękowych ROTOSCAN

Zastosowany układ głowic ultradźwiękowych wraz z podziałem spoiny na strefy badania przedstawiono na rys. l0 W skład układu wchodzi dwa zespoły głowic po siedem głowic ultradźwiękowych w każdym zespole. Zespoły głowic są umieszczone symetrycznie po obu stronach spoiny.

Schemat ustawiania głowic ultradźwiękowych wraz z podziałem na strefy badania - system Rotoscan

Położenia reflektorów odniesienia FBH 2 mm (otworki płaskodenne 2mm) we wzorcu kalibracyjnym o grubości ścianki 19,2 mm

Pięć spośród siedmiu głowic każdego zespołu przeznaczonych jest do wykrywania wad podłużnych tj. takich, które rozciągają się w przybliżeniu równolegle do osi spoiny (przyklejenia, braki przetopu, żużle pasmowe, pęknięcia podłużne). Dwie pozostałe głowice przeznaczone są do wykrywania wad zorientowanych w przybliżeniu prostopadle do osi spoiny (pęknięcia poprzeczne).
Do badania stref Z1, Z2 i Z3 na obecność wad podłużnych zastosowano głowice fal poprzecznych o kącie załamania 60°. Głowice stosowane do badania strefy Z3 mają przy tym zogniskowaną wiązkę ultradźwiękową.
Do badania strefy Z4 (strefa grani) zastosowano dwie głowice fal poprzecznych o kątach załamania odpowiednio 60 i 70 .
Głowice wykrywające wady podłużne pracują metodą echa i wprowadzają wiązkę ultradźwiękową prostopadle do osi spoiny, tak, aby oś wiązki przechodziła przez linię wtopu spoiny na wysokości środka odpowiedniej strefy badania.
Dwie głowice przeznaczone do wykrywania wad poprzecznych mają kąty załamania 65° i wprowadzają wiązkę ultradźwiękową pod kątami odpowiednio: +32° oraz -32° względem prostej prostopadłej do osi spoiny. Głowice jednego zespołu głowic współpracują z analogicznymi głowicami wchodzącymi w skład drugiego zespołu głowic na zasadzie metody przepuszczania (głowica z pierwszego zespołu wysyła impuls ultradźwiękowy, który po ewentualnym odbiciu od wady poprzecznej jest odbierany przez odpowiednią głowicę z drugiego zespołu).

MIPA

W skład skanera wchodzą dwa zespoły po siedem głowic ultradźwiękowych usytuowane symetrycznie po obu stronach spoiny. Wszystkie głowice są typu H5M produkcji firmy Krautkramer mer. Częstotliwości rezonansowe głowic wynoszą 5 MHz, zaś średnice przetworników 5 mm. Sprzężenie akustyczne uzyskiwane jest poprzez warstwę wody, doprowadzanej w sposób ciągły pod przetworniki głowic.
Położenia i kąty głowic głowic ultradźwiękowych oraz tory wiązek ultradźwiękowych na przekroju spoiny pokazano schematycznie na rys. 9.

Głowice oznaczone symbolem Cap przeznaczone są do wykrywania wad znajdujących się w warstwie lica. Dodatkowo obszar ten badany jest przez głowice fal pod powierzchniowych PCW szczególnie czułych na centralne pęknięcia podłużne wychodzące od lica.
Głowice oznaczone jako F1 i F2 przeznaczone są do badania warstw wypełniających spoiny, które na rysunku oznaczone są odpowiednio jako obszary Fili1 i Fil2.
Do badania obszaru przetopu stosowane są dwie głowice ultradźwiękowe oznaczone odpowiednio: Root i SCW . Głowica Root bada przetop falami poprzecznymi wprowadzanymi pod kątem około 55° (sposób standardowy). Głowica SCW penetruje obszar przetopu falami podłużnymi rozchodzącymi się w przybliżeniu równolegle do powierzchni ścianki rury. Fale te powstają wskutek transformacji pierwotnej wiązki fal poprzecznych na wewnętrznej ściance rury.
Badanie obszaru przetopu przy zastosowaniu dwóch rodzajów głowic pozwala na rozróżnienie między echami kształtu pochodzących od wycieku z grani a echami pochodzącymi od rzeczywistych wad przetopu.
Na schematach zaznaczono również pozycje bramek elektronicznych w poszczególnych kanałach głowic. Punktem odniesienia, względem, którego odmierza się start bramki elektronicznej jest echo odbite od granicy woda - powierzchnia rury. Dzięki takiemu rozwiązaniu położenie bramek elektronicznych na przekroju spoiny nie zmienia się podczas przesuwu skanera wskutek lokalnych zmian grubości warstwy sprzęgającej (np. wskutek nierówności powierzchni rury) oraz temperatury wody.
Dwie głowice fal poprzecznych, umieszczone przeciwsobnie po obu stronach spoiny, przeznaczone są do wykrywania wad zorientowanych prostopadle do osi spoiny. Są one ustawione pod pewnym kątem względem osi spoiny i pracują metodą przepuszczania - głowica nadawcza wysyła impuls ultradźwiękowy, który po ewentualnym odbiciu od wady poprzecznej jest odbierany przez głowicę odbiorczą.
Ostateczne położenia i kąty wszystkich głowic oraz pozycje bramek elektronicznych ustala się przy wykorzystaniu specjalnego wzorca kalibracyjnego z reflektorami odniesienia pokazanymi na rysunkach .

4. Ustawienie czułości badania

ROTOSCAN
Pierścień prowadzący (CRC band) powinien być zamontowany na króćcu kalibracyjnym w tej samej odległości od osi symetrii wzorca jak będzie to miało miejsce podczas badania spoin w stosunku do osi symetrii spoiny.
Każda głowica ultradźwiękowa przeznaczona do wykrywania wad podłużnych zostanie ustawiona i zamocowana na stałe w takim położeniu, aby uzyskać maksymalną wysokość echa od odpowiadającego jej reflektora odniesienia (np. F.B.H. 2,8 mm). Następnie wzmocnienie aparatu ultradźwiękowego w kanałach poszczególnych głowic będzie ustawione tak, aby amplitudy ech odpowiednich reflektorów odniesienia osiągnęły wysokość 80% F.S.H. (tj. 80% pełnej wysokości ekranu). Powyżej opisane ustawienie czułości badania odpowiada wykryciu wady równoważnej F.B.H. 2,0 mm na poziomie 40% pełnej wysokości ekranu.
Pary głowic stosowane do wykrywania wad poprzecznych zostaną ustawione symetrycznie względem osi symetrii wzorca, w takiej odległości, aby uzyskać maksymalną wysokość impulsu przejścia odbitego od nacięcia o głębokości 2 mm. Następnie wzmocnienie
aparatu ultradźwiękowego w kanałach głowic odbiorczych zostanie nastawione tak, aby amplituda impulsu przejścia osiągnęła wysokość 80% F.S.H. Powyżej opisane ustawienie czułości badania umożliwia wykrycie wad poprzecznych o głębokości powyżej l mm.
Głowice 60 stosowane do wykonywania map ultradźwiękowych wypełnienia spoiny (umożliwiających wykrywanie porowatości) będą miały czułość badania ustawioną w następujący sposób. Wzmocnienie w kanałach tych głowic będzie nastawione tak, aby echo reflektora R25 wzorca W2 osiągnęło wysokość 80% F.S.H. + 26 dB.
Bramki elektroniczne w poszczególnych kanałach powinny być ustawione tak, aby pokrywały odcinek wiązki ultradźwiękowej zaczynający się 2 - 5 mm przed linią wtopu spoiny i kończący się w pobliżu środka spoiny. Jedynie w przypadku kanałów stosowanych do wykonywania map ultradźwiękowych oraz wykrywania wad poprzecznych koniec bramki monitora powinien być przesunięty 15-20 mm poza środek spoiny.
Ustawienie i sprawdzanie ustawienia bramek elektronicznych odbywa się na wzorcu kalibracyjnym, którego widok ogólny dla (urządzenia MIPA) przedstawiono na rys

Schemat wzorca kalibracyjnego

MIPA
W celu przeprowadzenia wstępnej kalibracji systemu skaner z głowicami ultradźwiękowymi ustawionymi w zaplanowanych położeniach umieszcza się na wzorcu kalibracyjnym . Skaner należy przesunąć po obwodzie wzorca tak, aby pierwsza z ustawianych głowic znalazła się dokładnie naprzeciw odpowiadającego jej reflektora odniesienia. W tym położeniu skaner należy zablokować i dokonać precyzyjnej korekty ustawienia głowicy tak, aby uzyskać maksymalną wysokość echa od odpowiadającego jej reflektora odniesienia. Następnie należy ustawić położenie bramki elektronicznej w kanale danej głowicy zgodnie z parametrami podanymi na rys. 9. Wzmocnienie w kanale defektoskopu należy ustawić tak, aby wysokość echa reflektora odniesienia wynosiła 50% pełnej wysokości ekranu ( 50% FSH ).
Powyższą procedurę należy powtórzyć dla wszystkich stosowanych głowic ultradźwiękowych.

Położenia głowic ultradźwiękowych i bramek elektronicznych grubość 22,9 mm

5. Rejestracja wyników badania MIPA

Wyniki badania są rejestrowane w czasie rzeczywistym (on line) przez komputer sterujący. W każdym cyklu pomiarowym rejestrowane są amplitudy i czasy przejścia ech ultradźwiękowych znajdujących się w bramkach poszczególnych kanałów głowic. Równolegle rejestrowane są dane z enkodera o położeniu skanera na obwodzie spoiny.
Amplitudy sygnałów rejestrowanych w poszczególnych kanałach głowic są zobrazowane na ekranie monitora w postaci kolorowych pasków, w taki sposób, że kolor paska odpowiada amplitudzie echa ultradźwiękowego rejestrowanego w danym miejscu obwodu spoiny. Przykładowy wygląd takiego dokumentu przedstawiono na rys (jest on niestety w wersji czarno-białej).
Dodatkowo na ekranie pokazywany jest wynik monitorowania prawidłowości sprzężenia akustycznego podczas skanowania spoiny a także inne informacje dotyczące prowadzonego badania.
Po zakończeniu skanowania spoiny wszystkie powyższe dane są transferowane z pamięci operacyjnej komputera na twardy dysk a następnie analizowane i oceniane przez program komputerowy w oparciu o zaprogramowane kryteria.
Wyniki badania i oceny spoiny mogą być drukowane w formie skompresowanej na kolorowym wydruku obejmującym cały obwód zbadanej spoiny.

Przykładowy sonogram badania złącza systemem MIPA

ROTOSCAN
Wyniki badania są prezentowane w czasie rzeczywistym (on line) na ekranie monitora komputera sterującego. Format ekranu, liczba kanałów głowic oraz sposób prezentacji wyników może być dostosowany do grubości badanego materiału i stosowanej konfiguracji badania. Standardowo ekran monitora podzielony jest na następujące sekcje:

• paski pokazujące prawidłowość sprzężenia akustycznego poszczególnych głowic
  
• paski pokazujące miejsca przekroczenia dopuszczalnych poziomów amplitudy echa wady w poszczególnych kanałach (Go-NoGo section)
  
• sekcje pokazujące amplitudy oraz czasy opóźnienia ech ultradźwiękowych rejestrowanych w poszczególnych kanałach
  
• sekcje map ultradźwiękowych obszaru grani oraz obszaru wypełnienia spoiny
  
• podziała określająca położenie zarejestrowanych sygnałów na obwodzie spoiny
  

Pełny zapis wyników skanowania każdej badanej spoiny umieszczany jest na twardym dysku komputera. Dodatkowa kopia wyników badania umieszczana jest na specjalnym dysku optycznym.
Wyniki badania mogą być drukowane w formie skompresowanej na czarno-białym wydruku obejmującym cały obwód zbadanej spoiny. Przykład takiego sonogramu pokazano na rys.

Przykładowy sonogram badania złącza systemem ROTOSCAN

6. Porównanie wyników badania urządzeniem Rotoscan i metodą radiograficzną.

Poniżej zaprezentowano wyniki oceny złącz spawanych na rurociągu DN 1400 przy pomocy metody ultradźwiękowej (zautomatyzowane wspomagane komputerowo badania systemem Rotoscan - UTA) i metody radiograficznej ( crawlery Gammamat - RT).

Liczba spoin ogółem 200% kontroli	UTA A	RT A	UTA R	RT R	UTA R	RT A	UTA A	RT R	% ocen zgodnych	% ocen niezgodnych
										UTA	RT
309	226		12		50		21		77%	16%	7%

A - akceptacja
R - odrzucenie

Widać stąd, że osiągnięto stosunkowo wysoki procent zgodnej oceny obydwoma metodami, natomiast przy niezgodności ocen badania automatyczne dały ponad dwukrotnie większą ilość wskazań odrzucenia niż metoda radiograficzna.
Jednocześnie praktyka pokazuje, że obydwie prezentowane tu metody raczej wzajemnie uzupełniają się i trudno jest oczekiwać całkowitego zastąpienia jednej przez drugą. Dobór metody kontroli i oceny jakości złącza powinien w każdym przypadku uwzględniać technologie spawania, warunki otoczenia itp.