XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Несмотря на широкие использования дифракционно-временного метода (TOFD), его основное предназначение – быстрый контроль кольцевых и продольных сварных швов. С момента разработки дифракционно-временного метода, в 1970-х годах, популярность его постоянно растет. Возможно ручное сканирование TOFD, однако, наиболее часто данный метод используется в комбинации с записывающим устройством (кодировщиком или промышленным сканером). Для соответствия требованиям стандартов TOFD обычно совмещается с технологией импульс-эхо или фазированными решетками для контроля корня и верхней части сварного шва.

Основой дифракционно-временного метода является взаимодействие краев неоднородностей в материале с ультразвуковыми волнами. Это взаимодействие вызывает излучение дифракционных волн в довольно широком диапазоне частот. Наличие неоднородности в материале позволяют определить возникающие в нем дифракционные волны.

Время прохождения и приема сигнала является основой оценки размеров и высоты дефекта. Параметры неоднородностей в материале определяются только временем прохождения дифракционных волн, амплитуда волны не принимается во внимание при определении размеров дефекта. 

Физическая сущность дифракционно-временного метода состоит в осуществлении анализа полученных поперечных и продольных волн, которые дифрагируют на краях дефекта. Время возврата сигнала является главной информационной характеристикой метода.

При дифракционно-временном методе возможно выявление дефектов практически любой ориентации. По причине расхождения дифрагированных сигналов во всех направлениях, метод TOFD чувствителен фактически к любому типу дефектов, независимо от их ориентации. Сюда же можно отнести широкий охват контролируемого объёма, связанный с угловым расхождением ультразвукового пучка. При этом произойдёт приём части рассеянной энергии ультразвукового пучка от дефекта в виде сигналов малой амплитуды, дифрагированных от её краев, которые будут выведены на экране в корректном относительном положении. По этой причине отсутствует необходимость в контроле основного металла околошовной зоны прямым преобразователем с целью обнаружения расслоений.

Высокую вероятность обнаружения дефектов при проведении контроля методом TOFD можно продемонстрировать на примере обнаружения отсутствия несплавления между проходами или межваликового несплавления. При контроле TOFD межваликовое несплавление или плоский параллельный дефект виден как сплошная линейная индикация. При использовании традиционного эхо – импульсного метода контроля дефекты такого типа не обнаруживаются.

1. Настройка ультразвукового контроля методом TOFD

Метод TOFD применяется для поиска дефектов в сварных соединениях при этом отбраковка по результатам контроля данным методом не ведется.

Метод TOFD может применять для уточнения глубины залегания и высоты дефектов, обнаружения пор и плоскостных вертикально ориентированных дефектов.

В отличии от эхо-импульсного метода, в основе TOFD лежит принцип регистрации сигналов, рассеянных (дифрагированных) на гранях дефекта, а не отраженных от его поверхности. При регистрации сигналов анализируется время прихода сигналов, а не амплитуды.

TOFD реализуется с помощью пары ПЭП продольных волн с одинаковыми углами ввода и широкой диаграммой направленности, позволяющий проконтролировать объект за один проходи без перемещения ПЭП в поперечно к шву направлении.

Рисунок 1.1. Установки преобразователей для УЗК равнотолщинного сварного соединения

Точка пресечения осей диаграмм направленности ПЭП и приемника выбирается на глубине, равной ²/₃ толщины контролируемого образца..

Для равнотолщинного сварного соединения между точками ввода приемника и передатчика P, мм, рассчитывается по формуле

Где t-толщина стенки, мм;

α-угол ввода УЗ луча в образец, град.

При работе излучателя формируется подповерхностная волна, распространяющаяся непосредственно под верхней поверхностью контролируемого объекта, и продольная волна, поступающая на приемник при отражении от донной поверхности. Поперечная волна, возникающая в результате преломления продольной волны, приходит к приемнику после отраженной продольной.

Сигналы TOFD отображаются на экране в виде А-скана не детектированного сигнала. На В-скане (TOFD-скане) амплитуда сигнала отображается в градациях серого цвета. Отображение двухполярного невыпрямленного сигнала дает информацию о фазе сигналов. Подповерхностная волна (lateral wave) и волна, отраженная от донной поверхности, всегда находятся в противофазе.

Скорость подповерхностной волны равна скорости продольной волны.

Время прихода подповерхностной волны T_L, мкс, вычисляется по формуле

где Р-расстояние между точками выхода УЗ луча приемника и передатчика, мм;

C-скорость продольных волн в образце, равна 5,94 мм/мкс;

T_D-суммарное время задержки в призмах передатчика и приемника.

Время T_BE, мкс, прихода волны, отраженной от донной поверхности, вычисляется по формуле

где t-толщина образца, мм.

Кроме головной и, отраженной от донной поверхности волн, формируются дифрагированные УЗ сигналы от верхнего и нижнего краев дефекта. Волны, дифрагированные на верхнем и нижнем крае дефекта, имеют туже скорость, что и подповерхностная волна, и волна, отраженная от донной поверхности соответственно. При этом:

фаза сигнала от верхнего конца дефекта совпадает с фазой волны, отраженной от донной поверхности;

фаза сигнала от нижнего конца дефекта совпадает с фазой головной волны.

Дефект считается четко различимым и подлежит оценке, если дифракционные сигналы от верхней и от нижней граней дефекта разделяются однозначно. Если изображение TOFD нечеткое и сигнал в каналах, работающих по эхо-импульсному методу, отсутствует, то такую индикацию следует расценивать как несущественную и при анализе не рассматривать

Длину индикаций TOFD следует определять при помощи параболических курсоров, исходя из величины перемещения преобразователей вдоль сварного соединения. Реальная протяженность дефекта может отличаться от измеренной величины по причине того, что ширина диаграммы направленности ультразвукового преобразователя не равняется нулю.

Высоту индикаций TOFD определяется по формуле: d=[1/4*(ct)²-S]^1/2 (если предполагается, что несплошность находится посередине между двумя преобразователями), где с-скорость звука, t-время прохождения дифракционного сигнала от кромки, d-глубина расположения кромки несплошности, S-половина расстояния между точками ввода ультразвуковых преобразователей. При этом, время прохождения ультразвуковой волны внутри ультразвуковых преобразователей должно быть вычтено до проведения расчета глубины. Невыполнение этого условия приведет к серьезным ошибкам при вычислении глубины. Чтобы избежать ошибок, возникающих при определении времени задержки в преобразователе, глубина d должна быть по возможности рассчитана исходя из разности времени прохождения _Δt между моментом прихода подповерхностной волны и дифракционного сигнала: d=1/2*[(c _Δt)²+4c _ΔtS]^1/2.

Дефект считается плоскостным с ориентацией, отличающейся от продольной и поперечной если он четко различим, но сигналы в каналах, работающих по эхо-импульсному методу, для данного дефекта отсутствуют.

Рисунок 1.2- Изображение дифракции волн на верхнем и нижнем краях дефекта

Глубина залегания дефекта при проведении TOFD измеряется от поверхности более тонкой пластины сварного соединения до нижней грани дефекта (берется максимальное значение глубины). Положение верхней грани дефекта вычисляется по сигналу от дефекта с минимальным временем прихода. При УЗК равнотолщинного сварного соединения глубина залегания источника дифрагированного сигнала автоматически определяется встроенным калькулятором дефектоскопа.

При определении времени прихода, отраженной от донной поверхности необходимо, что на экране могут быть видны 2 донных сигнала: от внутренней поверхности стенок и от поверхности широкого внутреннего валика шва.

При УЗК равнотолщинного соединения глубина залегания источника сигнала должна определяться с использованием встроенных средств дефектоскопа.

Пример таблицы, связывающей разницу _ΔТ времен появления сигналов от внутренней стенки и от дефекта с глубиной залегания дефекта при толщине стенок резервуара 14 и 12 мм и использовании УЗ преобразователей TOFD углом ввода 60, приведен в таблице 1.1֯. Расстояние от ЦЛШ до точки ввода излучателя (верхний лист) P_в равно 13,9 мм, а до точки ввода приемника (нижний лист) P_H-17,3 мм. Скорость продольного УЗ сигнала С равна 5940.

Пример вычисления высоты и глубины залегания дефекта по таблице 1.1:

-измеренное время прихода сигнала и глубины от донной поверхности равно 13,81 мкс;

- измеренное время прихода сигнала от верхней грани дефекта равно 12,62;

- измеренное время прихода сигнала от нижней грани дефекта равно 13,05 мкс;

-разница времени прихода сигналов от дефекта и времени прихода волны, отраженной от донной поверхности, составляет соответственно 1,19 и 0,76 мкс;

- сравнение полученных значений _ΔТ с ближайшими табличными значениями показывает , что глубина верхней грани дефекта равна 5мм, глубина нижней грани дефекта равна 8мм, это означает , что максимальная глубина дефекат равна 8мм, а высота 3мм.

Таблица 1.1 Пример таблицы, связывающей разницу _ΔТ времен появления сигналов от внутренней стенки и от дефекта с глубиной залегания дефекта при толщине стенок резервуара 14 и 12 мм и использовании УЗ преобразователей TOFD углом ввода 60֯.

№ п/п	Разница времени прихода от дефекта и от донной поверхности ΔТ, мкс	Глубина дефекта y, мм	№ п/п	Разница времени прихода от дефекта и от донной поверхности ΔТ, мкс	Глубина дефекта y, мм
1	2	3	4	5	6
1	0,00	12,0	14	1,16	5,5
2	0,11	11,5	15	1,22	5,0
3	0,21	11,0	16	1,28	4,5
4	0,31	10,5	17	1,33	4,0
5	0,41	10,0	18	1,38	3,5
6	0,51	9,5	19	1,42	3,0
7	0,60	9,0	20	1,46	2,5
8	0,69	8,5	21	1,50	2,0
9	0,78	8,0	22	1,52	1,5
10	0,86	7,5	23	1,55	1,0
11	0,94	7,0	24	1,57	0,5
12	1,02	6,5	25	1,58	0,0
13	1,09	6,0

Для УЗК сварного шва методом TOFD в соответствии с данным документом применяются преобразователи для продольного типа волны с широкой диаграммой направленности, углами ввода 60֯ и 70֯ и частотами от 5 до 15 МГц.

Для стенки:

> 9мм датчики TOFD – 5МГц (диаметр пластины не более 5мм).

≤ 9мм-10МГц. (согласно ISO) (диаметр пластины не более 3 мм).

Начало развертки должно быть установлено как минимум за 1 мкс до начала сигнала от поверхностной волны и заканчиваться как минимум через 1 мкс после первого сигнала от донной поверхности.

Усиление сигнала должно быть таким, чтобы уровень сигнала от головной волы находился от 20% до 30% ПВЭ. Если уровень помех превышает половину сигнала от головной волны, то необходимо выбрать преобразователи с более низкой частотой, При этом увеличится мертвая зона и снизится разрешающая способность по глубине. Выбирая ПЭП и призмы для УЗК, необходимо оценить возможность их установки на конкретный шов. Из возможных вариантов следует выбирать ПЭП с более высокой частотой и меньшим углом ввода.

Чувствительность метода TOFD значительно снижается при расположении дефектов вблизи к поверхности (до 1/3 толщины стенки от поверхности сканирования).

Рисунок 3-Схема проверки точности установки параметров преобразователей на тестовом образце

Выводы:

В ходе работы была разработана методика ультразвукового контроля равнотолщинных стыковых сварных соединений дифракционно-временным методом.

Физическая сущность дифракционно-временного метода состоит в осуществлении анализа полученных поперечных и продольных волн, которые дифрагируют на краях дефекта. Время возврата сигнала является главной информационной характеристикой метода.

При дифракционно-временном методе возможно выявление дефектов практически любой ориентации. По причине расхождения дифрагированных сигналов во всех направлениях, метод TOFD чувствителен фактически к любому типу дефектов, независимо от их ориентации

Список литературы

1. Нормы оценки качества кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов при применении автоматизированных и механизированных средств неразрушающего контроля. ПАО “Газпром”, г. Москва, 2015г.

2.СТО Газпром 2-2.4-083–2006. Инструкция по неразрушающим методам контроля качества сварных соединений при строительстве и ремонтепромысловых и магистральных газопроводов.

3. РД-25.160.10-КТН-016-15 Изм2 Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов

4. Базулин А. Е., Бутов А. В., Тихонов Д. С., Ромашкин С. В., Заушицын А. В. Применение технологии TOFD в разработках ООО «НПЦ «ЭХО+» // Контроль. Диагностика. 2020. Т. 23. № 5. С. 28 – 37. DOI 10.14489/td.2020.05.pp.028-037

5. Bazulin A. E., Butov A. V., Tihonov D. S., Romashkin S. V., Zaushitsyn A. V. (2020). The use of TOFD technology in the development of LLC SPC ECHO +. Kontrol'. Diagnostika, Vol. 23, (5), pp. 28 – 37. [in Russian language]. DOI 10.14489/td.2020.05.pp.028-037

https://www.ets-ndt.ru/olympus/azbuka/metod-tofd.html

http://tofd-pa.ru/stati/obzor/obzory-priborov-i-oborudovaniya/siui-cts-703-portativnyj-ultrazvukovoj-defektoskop

https://www.ndt.net/apcndt2001/papers/898/898.htm

EN ISO 10863-2011

Методика ультразвукового контроля с применением фазированных решеток для проведения неразрушающего контроля сварных соединения при строительстве, эксплуатации и ремонте вертикальных резервуаров.

Код для цитирования: Скопировать