Сегодня мы с Вами поговорим об ультразвуковом контроле сварных соединений. Затронем вопросы так называемого МУЗК- механизированного ультразвукового контроля, поговорим о технологии фазированных решеток, о методе ТОФД, а также рассмотрим некоторые вариации практического применения этих методов на базе поставляемого нами оборудования. В частности это сканеры МУЗК серии WeldScanner и новый дефектоскоп на фазированной решётке- УСД-60-ФР.16х128.
УЗК однозначно является одной из важнейших составляющих неразрушающего контроля. На сегодняшний день УЗК сварных соединений – пожалуй один из самых распространенных методов контроля. Основные причины — это достаточно высокая производительность, небольшие затраты на проведение контроля (особенно в сравнении с рентгеном) и достаточно хорошая достоверность результатов.
Механизированный контроль сварных соединений
Если при единичном контроле оптимальным и быстрым является обычный ручной контроль, то массовый контроль протяженных швов вручную мало целесообразен. И с точки зрения временных затрат, и в отношении достоверности. Рассмотрим пример: человек не сможет вручную достоверно проконтролировать, например несколько швов трубы 1420 диаметра, толщины миллиметров 18-20, да и еще каждый шов как правильно- с двух сторон, с достаточным поперечным сканированием ручного преобразователя и желательно с качением луча +-15 градусов- как в общем-то нас всех учили на курсах по ультразвуковому контролю. Это прежде всего долго, это неудобно (надо облазить всю трубу в «интересных» позах), да и при правильном подходе- с нанесением маркировки всех найденных дефектов на трубе, с ручным сохранением каждого отражения в память дефектоскопа и так далее- это займет в среднем от одного до двух часов на стык. Я уже молчу про формирование протокола контроля. Таким образом человек сможет проконтролировать максимум 3-4 таких стыка после чего он попросту устанет и далее либо уже не сможет проводить дальнейший контроль- либо будет проводить его что называется «спустя рукава» или «для галочки».
Применение фазированных решеток повышает ускоряет проведение контроля за счёт отсутствия поперечного сканирования и повышает достоверность контроля за счет удобной визуализации, однако не достаточно влияет на производительность, так как в любом случае шов требуется проконтролировать с двух сторон, следя за акустическим контактом.
Оптимальное решение здесь состоит в применении различных механизированных систем контроля, сокращенно известные как МУЗК. Как правило такие системы имеют установленные с обеих сторон шва сразу несколько УЗ преобразователей, или несколько пьезоэлементов расположенные в едином корпусе, которые и формируют свой канал контроля. Это исключает необходимость поперечного сканирования, так как, каждый канал контроля отвечает за свою область шва (например: корень, заполнение, усиление). А наличие датчика пути позволяет записывать всю длину сварного соединения за один проход. Шов записывается с постоянным слежением за акустическим контактом, и в случае его потери (отсутствие контактной жидкости, грязь, плохо зачищенная изоляция или краска) система сигнализирует об этом и оператор может вернуться на некоторое расстояние назад, чтобы устранить причину потери контакта и перезаписать этот участок. Таким образом время контроля сокращается в разы и при правильной настройке комплекса- уменьшается так называемый человеческий фактор.
Для большинства из Вас, кто в принципе сталкивался с работой механизированным ультразвуком, является знакомым такой прибор, как СКАРУЧ. Это, наверное, самый известный прибор МУЗК в нашей стране за последние много лет. Прибор состоит из многоканального электронного блока и механического приспособления, с установленными несколькими УЗ преобразователями и датчиком пути. У скаруча, как и у любого прибора, есть свои плюсы и минусы, кто с ним работал или работает и так их прекрасно знает. В любом случае, речь пойдёт не о нём.
Аналогичным СКАРУЧУ является механизированный ультразвуковой сканер-дефектоскоп УСД-60-8К. Этот комплекс МУЗК предназначен для контроля протяженных сварных соединений толщиной от 6 до 40 мм. Если говорить о применении это комплекса на трубопроводах, то он позволяет контролировать сварные соединения труб диаметром от 219 до 1420 мм.
Конструктивно комплекс состоит из двух основных узлов- электронный блок и механизированный сканер.
На сканере, по обе стороны сварного соединения, располагаются специализированные трёхканальные акустические блоки, которые обеспечивают контроль за один проход. При этом мощные магнитные колёса, обеспечивают уверенную устойчивость сканирующего модуля в любом положении на объекте контроля, не требуя его поддержки оператором для защиты от смещения или падения. Скорость контроля сварных соединений составляет от 1 до 3 м/мин, в зависимости от настроек и конфигурации объекта контроля. При этом контроль выполняется без потери координаты и со слежением за акустическим контактом. Оптический энкодер обеспечивает высокоточный контроль с шагом записи результатов от 0,5 мм.
В дальнейшем с помощью программы пост-анализа становится возможным построить наглядные С- и В-сканы проконтролированного сварного соединения, а также скан сечения сварного шва в каждой точке записи.
После чего оператор может с помощью нажатия одной кнопки получить автоматическую регистрацию всех потенциальных дефектов. Если требуется корректировка автоматически сформированного результата контроля (как например избавление от паразитных сигналов- сигналов от геометрии шва, от чешуйчатости валика усиления, или от корневого валика) оператор может вручную скорректировать положение строба, убрать паразитный сигнал и сформировать правильный протокол контроля. В дальнейшем протокол можно сохранить на жёстком диске компьютера и распечатать на принтере.
Но сварочные технологии не стоят на месте. И некоторые решения по ультразвуковому контролю, которые ранее удовлетворяли по своему исполнению и по своим схемам прозвучивания, сейчас уже могут быть не применимы. Я говорю о сварке с вертикальной или почти вертикальной разделкой кромок. Одним из ярких примеров можно привести комплекс автоматической сварки CRC Evans. Он активно применялся в нашей стране при строительстве таких ответственных объектов, как газопровод Сила Сибири и Южный поток. Так вот особенностью таких сварных швов была их большая толщина (а именно 21.7, 25.8 и 32 мм) и что наиболее важно- узкая разделка- всего 5 градусов. И стало понятно, что в общем-то таких решений в плане МУЗК уже не достаточно, так как выявлять вертикально ориентированные дефекты (а в данном случае часто встречаемый и важный дефект типа несплавление по кромке получался практически вертикальным) обычным эхо-импульсным методом нельзя. Здесь нужно использовать или схему ТАНДЕМ, это когда излучающий и принимающий элементы стоят друг за другом на определенном расстоянии или применять метод TOFD. От метода тандем было решено отказаться, так как он был жёстко привязан к конкретной толщине и под каждую толщину пришлось делать бы свои блоки. Мы в своём решении остановились на применении метода TOFD. В общем-то как это делают во всём мире.
Так и появилась на свет более старшая модель механизированного сканера- WeldScanner WS-TOFD2-A6. M.
Метод Tofd как современное решение контроля сварных соединений
В этом комплексе помимо многоканальных акустических блоков используются еще и 2 канала тофд- для контроля всей глубины сечения шва. А так как этот сканер разрабатывался для возможности контроля уже больших толщин (32 мм и выше) специалистами КРОПУСа было решено увеличить количество элементов в акустических блоках с каждой стороны с трёх до шести, что несомненно повысило разрешающую способность контроля и точность определения глубины залегания дефекта. Одновременно, для этого же комплекса была разработана и новая версия ультразвукового дефектоскопа УСД-60-8К. Он получил в два раза больший цветной экран, который позволил уместить на экране одновременно до 16ти амплитудных каналов контроля и 2 канала TOFD.
Сейчас, наверное, самое время поговорить о методе ТОФД. Что же это такое?
В течение последних лет ультразвуковой контроль сварки с применением технологии TOFD получил широкое распространение. В мире технология TOFD в пределах своей применимости стала обязательной для контроля стыковых сварных соединений. В то же время в России применение TOFD весьма ограничено, а зачастую практически не используется.
Применение ТОФД особенно необходимо в таких сварных соединениях, в которых возможно появление вертикально ориентированных дефектов- например вертикальная трещина, или несплавление по кромке в швах с вертикальной или почти вертикальной разделкой.
В основе технологии TOFD лежит наклонное излучение продольной волны в материале сварного шва с одной из его сторон и анализ сигналов, принимаемых с противоположной стороны, при этом сканирование осуществляют путем линейного перемещения пары преобразователей, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, вдоль линии сплавления.
За счет широкого раскрытия диаграммы направленности часть энергии продольной волны распространяется вдоль поверхности образца в направлении от излучателя к приемнику. Скорость ее распространения равна скорости продольной волны. В литературе и технической документации данный сигнал называют lateral wave, дословный перевод — волна, распространяющаяся вдоль поверхности. Фактически — это компонента продольной волны, которая также известна как головная волна.
Опять же за счет широкого раскрытия диаграммы направленности часть энергии излученной продольной волны достигает донной поверхности и отражается в направлении приемника, формируя донный сигнал продольной волны. В литературе и технической документации данный сигнал называют longitudinal wave back echo;
Эти сигналы являются базовыми в методе ТОФД
Сигналы от дефектов, возникающие в результате отражения или дифракции, принимаются и анализируются во временных интервалах между базовыми сигналами. Основной временной интервал расположен между сигналами головной волны и донным сигналом продольной волны. Вспомогательный временной интервал — между донным сигналом продольной волны и донным сигналом поперечной волны, трансформированной в продольную при отражении.
Переход к отображению на А-скане и регистрации невыпрямленных сигналов позволяет разделить дефекты в материале сварного шва на объемные и плоскостные за счет сравнения фазы первой полуволны сигнала от несплошности или неоднородности с соответствующей полуволной одного или более базовых сигналов.
Применение технологии фазированных решеток при контроле сварных соединений
Основу технологии ФР составляет специальный ультразвуковой преобразователь с определенным количеством отдельных элементов (обычно от 16 до 128) и ультразвуковой дефектоскоп с несколькими генераторами и приёмниками. Каждый из элементов преобразователя возбуждается отдельно в определенной последовательности и с определенными временными задержками. Управление этими задержками позволяет формировать фронт волны, который определяет угол излучения, а изменение этих задержек позволяет этот угол изменять. В общепринятом понятии это называется качение луча. Таким образом с помощью всего одного многоэлементного преобразователя мы можем производить контроль во всём диапазоне общепринятых углов контроля- от 40 до 75 градусов.
Важным понятием технологии фазированной решётки является такое понятие как апертура. Часто можно встретить дефектоскоп на фазированной решётке с обозначением 16/64 или 16/128 и так далее. Так вот первое значение — это так называемая активная апертура — это количество элементов, которое может возбуждаться дефектоскопом одновременно и соответственно может столько же сигналов одновременно приниматься. Попросту говоря количество независимых генераторов и приемников в приборе. Второе значение — это количество максимальных элементов в датчике, с которым может работать прибор.
Если же говорить о преобразователе- то его важными параметрами являются, как я уже сказал- количество элементов, шаг между этими элементами, ширина элементов и частота. В фазированном датчике отсутствует понятие прямой или наклонный- это решается с помощью призмы: если мы подключили призму прямую- мы работаем в режиме прямого датчика, если мы подключили призму наклонную- мы работаем в режиме наклонного датчика. Понятие угла в этом случае также отсутствует, так как мы работаем во всем диапазоне углов сразу.
Применение механизированного сканера- WeldScanner WS-TOFD2-A32. M. на предприятии
