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.

 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 systemów 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).

---