Новые технологии ультразвуковой толщинометрии: от линейного сканирования до многосхемных методов цифровой фокусировки антенной решетки Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ДИАГНОСТИКА

УДК 620.179.162:534.87 В.В. Пронин1

1 ООО «НПЦ «ЭХО+» (Москва, Россия).

Новые технологии ультразвуковой толщинометрии: от линейного сканирования до многосхемных методов цифровой фокусировки антенной решетки

В статье описаны технологии и средства ультразвуковой толщинометрии основного металла и сварных соединений: сплошная ультразвуковая толщинометрия основного металла трубопроводов с применением антенных решеток, ультразвуковая толщинометрия сварных соединений по схеме TOFD (Time-of-flight diffraction) с применением антенных решеток, ультразвуковая толщинометрия сварных соединений методом цифровой фокусировки антенны с построением профиля донной поверхности. Технологии и средства контроля позволяют проводить толщинометрию объектов контроля с неэквидистантными поверхностями (на примере сварных соединений) с записью данных контроля. При толщинометрии сварных соединений проводится контроль в области сварных соединений, а также в околошовной зоне за один проход. По данным толщинометрии с применением специализированного программного обеспечения получают карты толщины объектов контроля. Приведены результаты измерений с применением разработанных технологий на испытательных образцах с искусственными дефектами, а также с реальным эрозионно-коррозионным износом. В статье описаны перспективы развития технологий толщинометрии основного металла и сварных соединений. Разработанные технологии позволяют своевременно обнаружить коррозионный износ, смещение кромок, утонения, провисания, разнотолщинность и т. д. при контроле объектов с неэквидистантными внешней и внутренней поверхностями, а также измерить геометрические параметры внутренней поверхности. Предлагаемые технологии могут найти широкое применение в ультразвуковой дефектоскопии трубопроводов и других металлоконструкций в атомной энергетике, инфраструктуре нефтегазового транспортного хозяйства, химическом машиностроении, судостроении при контроле основного металла и сварных соединений.

Ключевые слова: антенная решетка, цифровая фокусировка антенны, ультразвуковая толщинометрия сварных соединений, ультразвуковая толщинометрия сварных соединений методом TOFD, линейное сканирование, TOFD, ЦФА.

V.V. Pronin1

1 NPTS ECHO+ ООО (LTD) (Moscow, Russia).

New Technology of Ultrasonic Thickness Measurements from Line-Scan to The Many Circuit Methods of The Digital Focusing Using Antenna Array

The article describes the technologies and means of the ultrasonic thickness measurements of the main metal and welded joints such as continuous ultrasonic thickness measurement of the main metal of pipelines with the use of the antenna arrays, ultrasonic thickness measurements of welded joints by TOFD (Time-of-flight diffraction) with applying of antenna arrays, ultrasonic thickness measurements of welded joints by the method of digital antenna focusing with the creation of the profile of the bottom surface. The technology and control means allow carrying out thickness measurements of the control objects with non-equidistant surfaces (for example, welded connections) with data recording control. While using the thickness measurement of the welded joints the control of that and the welded area is performing. According to the thickness measurement using specialized software, they get the thickness card of the control objects. The results of measurements with the usage of the developed technologies for the test pieces with artificial defects and with the real erosion-corrosion wear are shown in that article. The paper also describes prospects of development of the thickness measurement technology of the main metal and the welded joints. The developed technologies allow early detection of the corrosion, the displacement of the edges, thinning, sagging, thickness variation, etc. while inspecting the objects

28

№ 3 март 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DIAGNOSIS

with non-equidistant external and internal surfaces and allow measuring the geometric parameters of the inner surface. The proposed technology can be widely used in ultrasonic defectoscopy of pipelines and other steel structures in nuclear power, infrastructure of oil and gas transportation, chemical engineering, shipbuilding with the control of main metal and welded joints.

Keywords: antenna array, digital antenna focusing (DAF), ultrasonic thickness measurement of welded joints, ultrasonic thickness measurement of welded joints by TOFD method, the linear scan, TOFD.

Антенная решетка Antenna array (AA)

Направление электронного сканирования Поверхность трубопровода The direction of electronic scanning The surface of the pipeline

Рис. 1. Схема толщинометрии основного металла трубопроводов Рис. 2. Электронное сканирование вдоль апертуры АР

Fig. 1. The scheme of the thickness measurement of the main metal of pipelines Fig. 2. Electronic scanning along the AA aperture

Рис. 3. Сканер для выполнения толщинометрии основного металла

Fig. 3. The scanner for completing the thickness measurement of the main metal

Трубопроводы в процессе эксплуатации подвержены эрозионно-коррозионному износу. Под воздействием теплоносителя происходит эрозионное разрушение защитной оксидной пленки на внутренней поверхности, что способствует протеканию процесса коррозии, возникновению коррозионных трещин, в результате чего происходит разрушение металла стенки трубопровода. Для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации трубопроводов необходимо использовать современные достижения технологий ультразвукового неразрушающего контроля и диагностики металла стенок и сварных соединений трубопроводов.Одним из таких направлений является сплошная ультразвуковая толщинометрия основного металла и сварных швов с применением антенных решеток (АР). В отличие от выборочной ультразвуковой толщинометрии применение автоматизированных сканирующих устройств (СУ) при контроле позволяет увидеть и зафиксировать полную картину состояния металла. На рынке представлены различные средства для сплошной ультразвуковой

толщинометрии на основе АР в режиме электронного сканирования (рис. 1), которые позволяют за один проход измерять толщину в полосе, ширина которой определяется количеством элементов в антенной решетке. При-

менение электронного сканирования АР значительно экономит время по сравнению с механическим сканированием, что является важным фактором, в том числе для работы в условиях ионизирующего излучения.

Ссылка для цитирования (for citation):

Пронин В.В. Новые технологии ультразвуковой толщинометрии: от линейного сканирования до многосхемных методов цифровой фокусировки антенной решетки // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. No 3. С. 28-33.

Pronin V.V. New Technology of Ultrasonic Thickness Measurements from Line-Scan to The Many Circuit Methods of The Digital Focusing Using Antenna Array. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 3, P. 28-33. (In Russian)

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 3 march 2017

29

ДИАГНОСТИКА

_ -i-< uiuedHKi it 'T.i'' . . >-

| t*À< L— fltbf.ty M, 1 -| ...... CM

во i t g>J4 садид»)

Рис. 4. Интерфейс программного обеспечения для построения и анализа карты толщины Fig. 4. Software interface for creating and analyzing maps of thickness

Испытательный образец 0 426 x 25 мм Test sample 426 0 x 25 mm

Карта толщины Thickness map

3D-вид карты толщины 3D-view of the thickness map

Рис. 5. Испытательный образец 0 426 х 25 мм с картой толщины, построенной по результатам толщинометрии с применением АР

Fig. 5. Test sample 426 0 x 25 mm with the thickness map based on the results of thickness measurement applying the AR

ООО «НПЦ «ЭХО+» были разработаны технологии и средства ультразвуковой толщинометрии. Работа велась по следующим направлениям:

1) сплошная ультразвуковая толщино-метрия основного металла трубопроводов с применением антенных решеток;

2) ультразвуковая толщинометрия сварных соединений по схеме TOFD (Time-of-flight diffraction) с применением антенных решеток;

3) ультразвуковая толщинометрия сварных соединений методом цифровой фокусировки антенны с построением профиля донной поверхности.

СПЛОШНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБОПРОВОДОВ

Объектами контроля (ОК) являются основной металл монометаллических трубопроводов, гибы и конусные переходы. Диапазон контролируемых толщин стенок трубопроводов составляет от 5,5 мм.

Измерение толщины проводится с использованием технологии ультразвуковых фазированных антенных решеток эхо-импульсным ультразвуковым методом с контактным способом ввода ультразвука с наружной поверхности трубопровода с использованием полуавтоматизированных сканирующих устройств.

Обеспечить относительно широкую полосу измерения толщины трубопровода позволила схема контроля, при которой АР движется вдоль оси трубопровода и ориентирована поперек направления сканирования (рис. 1). В процессе измерений применяются АР, установленные на плосковогнутые задержки, контактная поверхность которых имеет вогнутую форму (рис. 2). При контроле используют продольную волну, сфокусированную на номинальную толщину ОК, и электронное сканирование, обеспечиваемое при подключении к дефектоскопу, поддерживающему технологию контроля фазированными антенными решетками (ФР). Для проведения толщинометрии основного металла трубопроводов по предложенной схеме контроля было разработано механизированное двух-координатное сканирующее устрой-

ство (СКУ) на магнитных колесах (рис. 3) с возможностью установки на трубопроводы с наружными диаметрами 0 159-426 мм, а также на гибы и конусные переходы.

Для работы с данными толщинометрии было разработано специализированное программное обеспечение (ПО), включающее следующие функции и возможности:

30

№ 3 март 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DIAGNOSIS

Рис. 7. Принцип измерения толщины в околошовной зоне Fig. 7. The principle of the thickness measurement in the welded area

Рис. 6. Принцип измерения толщины в области сварного соединения по схеме TOFD с АР и электронным сканированием

Fig. 6. The concept of thickness measurement in the area of welded connections according to the TOFD scheme with AA and electronic scanning

• построение карты толщины по данным толщинометрии;

• просмотр карты толщины по координатам X-Y и по срезу X/Y;

• значение толщины в каждой точке с формированием таблицы значений;

• возможность изменения сетки с соответствующим изменением количества столбцов/строк таблицы со значением толщины;

• поиск минимального значения толщины с фиксацией координат;

• возможность выдачи заключения;

• возможность применения фильтрации (медианная, сглаживающая);

• возможность объединения двух или нескольких файлов данных в один и просмотр общей карты толщины;

• представление карты толщины не зависит от метода сбора данных толщинометрии.

Интерфейс ПО представлен на рис. 4. Для аттестационных испытаний метода был разработан образец диаметром 426 мм и толщиной стенки 25 мм, в котором были изготовлены плоскодонные отверстия, перпендикулярные поверхности образца, с различными диаметрами и высотами для определения. Погрешность измерений составила менее 0,2 мм (рис. 5).

Ультразвуковая толщинометрия сварных соединений (СС) по схеме TOFD (Time-of-flight diffraction) с применением антенных решеток

Объектом контроля по настоящему методу являются сварные соединения трубопроводов с наружными диаметрами от 0 159 мм и толщиной стенки от 5,5 мм.

Измерения проводятся с использованием технологий ультразвуковых фазированных антенных решеток ультразвуковым методом времяпролетной дифракции (TOFD), с контактным способом ввода ультразвука с наружной поверхности трубопровода с использованием полуавтоматизированных сканирующих устройств. При контроле применяются АР и призмы, формирующие наклонный ввод продольной волны и обеспечивающие при подключении к дефектоскопу ФР режим электронного сканирования (рис. 6). Одновременно проводятся измере-

ния толщины в околошовной зоне с применением тех же АР, работающих в режиме электронного сканирования с углом ввода 0°, по времени прихода донного сигнала (рис. 7). Таким образом, обеспечивается широкая полоса измерения толщины. Для перемещения антенных решеток используется однокоординатное сканирующее устройство с набором треков под диаметры 0 159; 219; 273; 325; 377 и 426 мм (рис. 8).

Для аттестационных испытаний метода в испытательном образце 0 426 х 25 мм были изготовлены имитации расточек

Сканер Scanner

Прижим Compression

Трек Track

Рис. 8. Сканер СК-ТД.160-426.ДП-1 с треком 0 325 мм Fig. 8. SK-TD.160-426.DP-1 scanner with the 0 325 mm track

ДИАГНОСТИКА

Рис. 9. Испытательный образец 0 426 х 25 мм с картой толщины, построенной по результатам толщинометрии СС по схеме TOFD

Fig. 9. Test sample 426 0 x 25 mm with the thickness map, created according to the results of the thickness measurement of welded joints using TOFD scheme

сварных соединений. Погрешность измерений в области околошовной зоны составила менее 0,6 мм, а в области сварного соединения - менее 1,0 мм (рис. 9). По описываемому методу получают три карты толщины (околошовная зона с двух сторон СС и область СС), которые объединяют с помощью ПО и получают общую карту толщины.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДОМ ЦИФРОВОЙ ФОКУСИРОВКИ АНТЕННЫ С ПОСТРОЕНИЕМ ПРОФИЛЯ ДОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ Для контроля толщины трубопроводов с неэквидистантными поверхностями разработана [1] технология построения профиля донной поверхности на основе ультразвукового метода с применением цифровой фокусировки антенны (ЦФА). Метод основан на излучении в ОК ультразвуковых волн и регистрации этих ультразвуковых волн, отраженных от внутренних границ ОК, а также последующей цифровой обработке ЦФА [2] с формированием изображений из зарегистрированных сигналов. Технология основана на применении двух антенных решеток (АР) с двумя одинаковыми призмами по двум схемам: по раздельной схеме и по совмещенной схеме (рис. 10).

Реализацию разработанной технологии построения профиля донной поверхности можно разделить на три основных этапа.

На первом этапе проводится сбор данных путем излучения и регистрации эхо-сигналов. Этот процесс называют методом двойного сканирования. Сканирование может выполняться как по раздельной, так и по совмещенной схеме. При применении раздельной схемы одна из АР излучает эхо-им-

пульсы в ОК каждым элементом независимо и последовательно. Вторая АР работает в режиме приемника всеми элементами одновременно. В отличие от раздельной схемы при применении совмещенной каждая АР является и излучателем, и приемником, работающими аналогично.

На втором этапе производится обработка принятых эхо-сигналов методом ЦФА и определяются шесть парциальных изображений, восстановленных по следующим акустическим схемам (рис. 10):

1) для поперечной волны - по раздельной схеме;

2) для продольной волны - по раздельной схеме;

3) для продольной волны, трансформировавшейся в поперечную при отражении от дна, - по раздельной схеме;

4) для поперечной волны, трансформировавшейся в продольную при отражении от дна, - по раздельной схеме;

5) для продольной волны - по совмещенной схеме;

6) для продольной волны - по совмещенной схеме.

На третьем этапе применяется алгоритм построения профиля донной поверхности. Здесь в качестве входных данных используются полученные на предыдущем этапе парциальные изображения. Затем происходят их нормировка (выравнивание амплитуд относительно

N-сторона Р-сторона

N-side Р-side

Рис. 10. Применение ЦФА для толщинометрии СС:

фиолетовый цвет - продольные волны по совмещенной схеме; красный цвет - продольные волны по раздельной схеме, фиолетовый цвет - поперечные волны по раздельной схеме Fig. 10. The usage of DAF (digital antenna focusing) for the thickness measurement of welded joints: purple color - longitudinal waves in a combined scheme; red color - longitudinal waves according to a separate diagram, the purple color - shear waves in a separate diagram

32

№ 3 март 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DIAGNOSIS

-и -so -»в * о t 10 »

1 2 3 4 5 6 7 S 0

Карта коррозии Срез по одной из осей Corrosion map Cut along one of the axes

Таблица со значениями остаточной толщины Table with the values of the residual thickness

Рис. 12. Применение технологии ультразвуковой толщинометрии СС с ЦФА образцов с ЭКИ Fig. 12. The use of the technology for ultrasonic thickness measurements of welded joints with DAF samples with erosion-corrosion wear

Рис. 11. Суммарное восстановленное изображение с профилем донной поверхности Fig. 11. Summary restored image with the profile of the bottom surface

одного из изображений) и объединение в суммарное восстановленное изображение (рис. 11). Построенный профиль дна изображен на рис. 11 и наложен на суммарное восстановленное изображение.

На рис. 12 приведены примеры толщинометрии образцов с реальным эрози-онно-коррозионным износом (ЭКИ) с построением карты толщины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработанные технологии позволяют своевременно обнаружить коррозионный износ, смещение кромок, утонения, провисания,разнотолщинность и т. д. при контроле объектов с неэквидистантными внешней и внутренней поверхностями, а также измерить геометрические параметры внутренней поверхности.

2. Предлагаемые технологии могут найти широкое применение в ультразвуковой дефектоскопии трубопроводов и других металлоконструкций в атомной энергетике, в инфраструктуре нефтегазового транспортного хозяйства, химическом машиностроении, судостроении

при контроле основного металла, а также с неэквидистантными поверхностями объекта контроля. 3. Учет внутренней поверхности позволит повысить достоверность и эффективность автоматизированного эксплуатационного контроля ответственного

оборудования за счет получения высококачественного изображения отражателей. Технология построения профиля донной поверхности даст импульс развитию автоматизированных методов распознавания и образмеривания не-сплошностей.

Литература:

1. Патент RU № 2560754. Способ ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия с неровными поверхностями / Е.Г. Базулин, А.Х. Вопилкин, Д.С. Тихонов, В.В. Пронин. Патентообладатель: ООО «НПЦ «ЭХО+».

2. Базулин Е.Г., Коколев С.А., Голубев А.С. Применение ультразвуковой антенной решетки для регистрации эхосигналов методом двойного сканирования для получения изображений дефектов // Дефектоскопия. 2009. № 7. С. 18-32.

References:

1. Patent RU № 2560754. The method of ultrasonic control of the profile of the inner surface of products with unequal surfaces. Authors: E.G. Bazulin, A.H. Vopilkin, D.S. Tikhonov, V.V. Pronin. The patent holder: NPTS ECHO+ OOO (LTD). (In Russian)

2. Bazulin E.G., Kokolev S.A., Golubev A.S. The application of an ultrasonic antenna array for registering echo signals by the double scanning method to obtain images of the defects. Defektoskopiya = Defectoscopy, 2009, No. 7, P. 18-32. (In Russian)