В. И. Радько, И. А. Заплотинский, Д.В. Галаненко. Выявление, идентификация иизмерение размеров плоскостных дефектов с применением технологии TOFD в ручныхдефектоскопах // В мире НК . – 2011. - №1 (51).

Проблема выявления, идентификации и измерения размеров плоскостных дефектов, впервую очередь трещин в различных деталях и изделиях, является одной из наиболееактуальных для неразрушающего контроля. Эта проблема еще больше усложняется в томслучае, когда проведение контроля возможно только с одной из поверхностей детали(например, при эксплуатационном контроле различных трубопроводов, сосудов, корпусногооборудования с ограниченным доступом к внутренней поверхности) с целью выявлениятрещин, расположенных в районе противоположной (внутренней) поверхности, как в основномметалле, так и в сварных швах.Одним из наиболее характерных примеров таких деталей являются гнутые элементытруб (гибы, отводы) трубопроводов ТЭС и АЭС, работающие при высокой температуре и подвнутренним давлением, т. е. в условиях высоких знакопеременных напряжений. По этой причине гибы склонны к разрушениям и надежный контроль за их состоянием – основноесредство обеспечения надежности и безопасности эксплуатации оборудования. Зоныповреждения гибов, работающих в водной среде - внутренняя поверхность преимущественно взоне нейтралей, работающих при высокой температуре – растянутая зона. Наиболееэффективно контроль этих зон осуществляется ультразвуковым методом НК.В 1965-1970г.г. был разработан ряд нормативных документов, в которых рассматривалсявопрос контроля гибов различных толщин и диаметров. Одной из первых в 1970г. началаприменяться инструкция по контролю гибов толщиной 7-12 мм из перлитной стали,предусматривающая применение пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) с рабочейповерхностью, притертой под наружный диаметр трубы. Однако критерии ориентации ПЭП поуглу ввода в этой инструкции отсутствовали, из-за чего не обеспечивалось надежное выявлениетрещин в гибах: имелись повреждения гибов после проведения контроля.В 1978 году начались работы над новой инструкцией по контролю гибов, которая былавведена в действие в 1981 г. как широко известная и действующая до сих пор И №23 СД-80(РД 34.17.418). В этой инструкции впервые были сформулированы требования кметрологическому обеспечению ультразвукового контроля (УЗК) гибов: нормированытребования к преобразователям, образцам и приведены нормированные комплексныехарактеристики акустического тракта, даны расчеты углов призмы преобразователей дляобеспечения требуемого угла встречи с дефектом. При опробовании методики на реальныхгибах она показала более высокую достоверность в сравнении с другими разработанными на товремя методиками в части выявления трещин на внутренней поверхности гибов. Методикапостроена на применении схемы прозвучивания, обеспечивающей угол встречи 450 с дефектомтипа трещины, расположенном на внутренней поверхности гиба. Контроль по схеме с угломвстречи 450 предусматривался для гибов с отношением толщины стенки к наружному диаметрудо 0,17. В связи с этим в 1987 г. было выпущено изменение к И №23 СД-80, предписывающееУЗК гибов труб с отношением толщины стенки к наружному диаметру более 0,17. При этомугол встречи луча с дефектом должен быть 900. Однако при практическом контроле всоответствии с этим изменением имели место пропуски дефектов, а также перебраковки,поэтому в вышедшем в 1985 г. «Положении об оценке ресурса, порядке контроля и заменыгибов» РД 34.17.417 предусматривалась процедура корректировки чувствительности УЗК. В1985 г. также вышел и начал применяться на котельных заводах для входного котроля трубОСТ 108.885.01, регламентирующий в том числе методику УЗК труб, который был разработанс учетом требований ГОСТ 17410 и инструкции И №23 СД-80 . Приемы контроля,предусмотренные в ОСТ 108.885.01, позволяли в гибах и трубах выявлять технологическиедефекты трубного производства, прежде всего – закаты за счет применения нормальныхпреобразователей.

В 1983 г. предприятием Уралтехэнерго была проведена работа по исследованиюдемонтированных при ремонтах дефектных гибов с целью определения достоверностиконтроля и выявляемости методом УЗК дефектов различной формы и ориентации.Установлено, что лучше выявляются дефекты типа углового отражателя, т.е. трещины и другиеплоскостные дефекты, например, рисы, длинные задиры, закаты; объемные дефектывыявляются значительно хуже. Так, выявляемость язв, питингов составляет до 40%, ножевойкоррозии, борозд – от 60 до 75 %, трещин – до 90%. Таким образом, выявляемость начальногопроцесса растрескивания (стадия образования цепочек язв, являющихся местом зарождения иразвития трещин) низкая, что не удовлетворяет идеологии контроля в соответствии с РД34.17.417, где предусмотрены «контрольные группы» гибов, по состоянию которыхоцениваются другие гибы на данном объекте. Для возможности выявления трещин в гибах настадии их зарождения был ужесточен уровень браковки. Это привело к тому, что рисы навнутренней поверхности труб, допустимые по действующим в трубной промышленности ТУ,очень часто браковались при проведении входного контроля труб (гибов) на предприятияхМинэнерго. При этом еще и обострилась проблема идентификации рис и трещин на внутреннейповерхности гибов.Существенным недостатком рассмотренных выше нормативных документов по УЗКгибов является то, что оценка качества гибов труб производится только по амплитудномупризнаку (эхо-сигнал от дефекта больше или меньше эхо-сигнала от зарубки), без определенияразмеров дефектного поля и высоты трещин. Последнее имеет очень важное значение, так как внастоящее время на базе механики разрушений в практику вошли расчеты допустимостиэксплуатации трубопроводов, а также другого оборудования с трещинами на внутреннейповерхности в зависимости от измеренной высоты трещин. Естественно, что эксплуатациятакого оборудования с трещинами на внутренней поверхности возможна только при наличииаппаратуры, позволяющей контролировать процесс развития трещин и при этом измерять ихразмеры (в первую очередь высоту) с точностью, достаточной для поверочных расчетов.Еще одним ярким примером дефектов, расположенных в подповерхностных слояхизделий, являются поднаплавочные трещины в плакированных трубопроводах и корпусномоборудовании АЭС . Эти трещины зарождаются на границе раздела антикоррозионнойнаплавки с основным металлом оборудования или перлитной частью сварных швов и идутперпендикулярно к границе раздела в перлитный металл. Актуальна также проблемаидентификации поднаплавочных трещин, т. к. в корне сварного шва могут находиться также идругие дефекты - непровары, несплавления, шлаковые включения (рис. 1). Измерение высотыподнаплавочных трещин является важнейшей задачей, позволяющей принимать обоснованныерешения о ремонте оборудования или его дальнейшей эксплуатации при условии наблюденияза выявленной трещиной.

Задачу измерения глубины трещин в сварных швах или основном металле можнорешить путем применения волн дифракции, возникающих от краев трещины. Исследования [1-3] показали, что волны дифракции можно возбуждать, а затем и принимать, используяпродольные и поперечные волны, а также их комбинацию. Попытки измерения высотыпродольных трещин на внутренней поверхности труб ультразвуковым методом в ручномварианте с применением выпускаемой в то время аппаратуры предпринимались еще в 80-90годах прошлого века. Место расположения дефекта определялось в соответствии сдействующим в отрасли НД (например, в трубах – по инструкции И №23 СД-80), затем месторасположения дефекта прозвучивлось по так называемой «дельта-схеме» [3] с применением серийных ПЭП - двумя наклонными преобразователями либо наклонными и прямыми ивыявлялся максимум эхо-сигнала от дефекта за счет возбуждения и приема волн дифракции отвершины трещины. Вначале выявлялся донный сигнал, затем вершина трещины. Для контроляи измерения использовались различные дефектоскопы, в т.ч. УД2-12. Для возбуждения иприема волн дифракции при применении дефектоскопов УД2-12 необходимо былоустановливать высокие уровни излучаемого сигнала и усиления, что, в свою очередь,предъявляло жесткие требования к преобразователям. Для настройки чувствительности искорости развертки использовались образцы, изготовленные из трубы с такими жетипоразмерами и той же маркой стали, что и контролируемая труба. В образце делалисьпропилы тонкой фрезой треугольного профиля. Для тарировки изготавливалось несколькообразцов с пропилами разной глубины. Определение высоты трещины производится двумяпутями – графическим – по построению схемы прозвучивания или по графику, построенномупо результатам прозвучивания образцов с пропилами различной глубины. Таким образом,измерение высоты трещин с помощью дефектоскопов общего назначения и серийных ПЭПимеет целый ряд ограничений, в частности описанным способом можно более-менеедостоверно измерять высоту трещин до 10 мм.В настоящее время для решения задач поиска дефектов и измерения их размеров вомногих отраслях промышленности широкоеприменение получила технология TOFD,представляющая собой группу дифракционно-временных методов, используемых для оценкидефектов – в особенности трещин, расположенныхкак в приповерхносных слоях, так и в сеченииизделий.Рассмотрим принцип дифракционно-временногометода. На рис. 2 видно, что при обнаружениивнутренней трещины, принимаются четыре сигнала.Два из них – сигнал головной волны и донный эхо-сигнал присутствуют даже без обнаружениядефектов и ограничивают зону контроля. Приобнаружении трещины мы можем наблюдать одинили два дополнительных сигнала, дифрагированныхот вершин трещины. Позиции этих сигналов поотношению к «базовой» паре сигналов, т. е. ихвремя распространения (Time Of Flight) дает наминформацию о высоте трещины. Зависимостьмежду высотой трещины и разностями временприхода сигналов является нелинейной, ипроизводить такие расчеты вручную крайне сложно,поэтому эта функция обычно реализуется впрограммном обеспечении TOFD-систем.Рис. 2. Принцип TOFD.1 – излучатель; 2 – приемник; 3 – трещина; а– головная волна; б – дифрагированныйсигнал от верхнего края трещины; в –дифрагированный сигнал от нижнего краятрещины; г – донный сигнал.4Одним из существенных преимуществ TOFD являетсяего большая достоверности по сравнению с обычным УЗК ирадиографией. При помощи обычного УЗК плоскостныедефекты типа трещин в сечении изделия могут быть надежнообнаружены только если они перпендикулярны направлениюпрозвучивания (или имеют незначительные отклонения отэтого направления). Трещины, развивающиеся отповерхности изделия и образующие с ней угол 900 (угловойотражатель), выявляются несколько хуже, а в случаеотклонения плоскости трещины от этого угла более, чем на100 , практически не выявляются (кроме случаев, когда ониперпендикулярны направлению прозвучивания). Такимобразом, амплитуда эхо-сигнала от трещины имеет сложнуюугловую зависимость, что существенно снижаетвыявляемость трещин и их оценку только по амплитудномукритерию.TOFD позволяет обнаружить трещины практическилюбой ориентации, поскольку дифрагированный сигналпереизлучается во всех направлениях и поэтому может бытьпринят вторым датчиком, независимо от ориентациитрещины (рис. 3).Еще одно преимущество TOFD – это производительность контроля. Дело в том, что дляTOFD используются специализированные ПЭП с чрезвычайно широкой диаграммойнаправленности, что позволяет контролировать всесечение сварного шва, не перемещая ПЭПперпендикулярно шву1. TOFD ПЭП используютпродольные волны, потому что они обладает самойвысокой скоростью распространения и самымнизким затуханием, а большинство обычныхнаклонных ПЭП использует поперечные волны.Дефектоскопы с TOFD ПЭП для обеспечениянеобходимого разрешения излучают очень короткийсигнал – в несколько раз короче, чем у обычныхнаклонных ПЭП. ПЭП TOFD как правило являютсясоставными и собираются из резонатора и призмы.Обычно используются 3 типа призм: дляобеспечения угла ввода 45°, 60° и 70° в зависимостиот задач контроля [4-7]. Сканирование сварногошва сканером TOFD намного быстрее, чем егоручной контроль при обычном УЗК (рис. 4). Врезультате сокращается время контроля, чтоособенно актуально в условиях эксплуатационногоконтроля оборудования и трубопроводов АЭС.Все эти преимущества технологии TOFDреализованы в TOFD-версиях дефектоскопов дляручного контроля УД3-71 и УД4-76 в комплекте сTOFD сканером и ПЭП (разработка ООО«Промприлад», г. Киев, Украина).Рассмотрим сканер, используемый с этимидефектоскопами (рис. 5). Он позволяет располагать1 Все сечение шва одной парой ПЭП перекрывается при контроле изделий толщиной до 70 мм. Для контроляболее толстостенных объектов применяют 2 и более пар ПЭП.Рис 3. Выявление наклонныхтрещин.Рис. 5. Сканер TOFD.Рис. 4. Траектория сканирования: а)при TOFD контроле; б) при обычномУЗК.а б5пару TOFD ПЭП друг против друга на необходимом расстоянии - его можноустановить с помощью встроенной линейки - и перемещать их вдоль и, при необходимости,поперек сварного шва. Сканер оснащен датчиком пути – для записи своего положения во времясканирования. Чтобы подготовить сканер к контролю, нужно установить расстояние междуПЭП для оптимального прозвучивания контролируемой области. Обычно предполагается, чтоакустические оси пары ПЭП пересекаются на глубине, равной 2/3 от толщины объектаконтроля. Так что расстояние между ПЭП может быть рассчитано по формуле: L H *tg?3? 4 ,где H – толщина объекта контроля а α – угол ввода ПЭП.После подготовки сканера производится настройка дефектоскопа. Наиболее важнымпунктом здесь является калибровка задержки в призме ПЭП и скорости звука в объектеконтроля. В дефектоскопах УД3-71 и УД4-76 эта процедура полностью автоматизирована.Достаточно установить значение толщины изделия, далее установить сканер на бездефектнуючасть объекта контроля, застробировать сигнал головной волны и донный сигнал иактивировать пункт меню «Измерить», т. е. для настройки дефектоскопа не требуется никакихспециальных образцов.После завершения калибровки можно приступать к сканированию объекта контроля исбору данных. В процессе контроля получаемые данные визуализируются в реальном временив одном из трех режимов:? A-Скан – привычный нам из обычного УЗК;? TOFD Б-Скан (иногда его называют TOFD-Скан);? комбинация – A+Б-Скан.В режиме A+Б-Скан меню дефектоскопа скрыто, но его можно показать одним нажатиемкнопки «Режим».После окончания сканирования производится анализ собранных данных. Прежде всего,необходимо просмотреть их. Программное обеспечение дефектоскопов позволяет взглянуть наобщую картину всех собранных данных в режиме Б-Скан. Также имеется возможностьувеличить некоторые интересные части, или прокрутить все данные в увеличенном режиме.Также перемещая курсор по данным Б-Скана, можно просмотреть А-Сканы, полученные вовсех точках вдоль пути сканирования.На TOFD-Скане мы всегда будем видеть две линейных индикации, соответствующихголовной волне и донному сигналу. На рис. 6 представлены характерные TOFD-сканы при длявыявлении различных типов дефектов.Если линейные индикации, соответствующие головной волне и донному сигналу, непрерываются и дополнительные индикации между ними отсутствуют, то это значит, чтоникаких дефектов не обнаружено.Если наблюдается разрыв индикации головной волны и дополнительная индикация подэтой точкой, то это значит, что обнаружена трещина, начинающаяся с внешней поверхности.Если наблюдается разрыв индикации донного сигнала и дополнительная индикация надэтой точкой, то это значит, что обнаружена трещина, начинающаяся с донной поверхности.а б в гРис. 6. TOFD-сканы, характерные для выявления трещин: поверхностной (а), в корнесварного шва или на внутренней поверхности основного металла (б), в сечении (в) иобъемного дефекта (г).6Если разрывов линейных индикаций не наблюдается, зато имеются дведополнительных индикации одна под другой, то мы обнаружили внутреннюю трещину.Если же мы видим непрерывные основные индикации и в дополнение видим только однуиндикацию между ними, то мы обнаружили не трещину, а некий объемный дефект – непровар,шлаковое включение и т.п.И, наконец, если наблюдается разрыв обеих основных индикаций в одной точке, то этоозначает, что в этот момент был нарушен акустический контакт, по меньшей мере, одного ПЭП.В таком случае необходимо провести повторный контроль этой зоны.Таким образом, проанализировав весь полученный TOFD-Скан для данного объекта контроляили его участка, мы получаем список обнаруженных дефектов с указанием их типов.После этого следует провести дефектометрию. Для этого потребуется сделать еще однукалибровку – по записанному Б-Скану. Нужно указать программе УД3-71 или УД4-76 главный полупериод головной волны. Он в дальнейшем будет использоваться как отправнаяточка при расчетах высоты трещины. Для этого следует установить курсор внутри индикациисоответствующего полупериода и активировать пункт меню «Калибровка». После этого можнопроводить измерение высоты трещины. Чтобы сделать это, следует установить курсоризмерительного строба на главный полупериод индикации дифрагированного сигнала иактивировать пункт меню «Измерить».Если обнаружена трещина в сечении, то для измерения ее высоты используются два строба.Первый строб устанавливается на индикацию от верхнего края трещины, а второй строб – наиндикацию от нижнего края.Следующий шаг в дефектометрии – это измерениедлины трещины (рис. 7).По индикациям дефектов на Б-Скане видно, что ниодна из них не является точечной. Все они имеютнекоторую протяженность, но длина индикации несовпадает с фактической длиной дефекта. Индикациюот протяженного дефекта можно разделить на 3 части– центральная соответствует длине дефекта, а два«крыла» «производит» диаграмма направленностиПЭП. И только одна из этих частей – центральная –является информативной и ее необходимо отделить открыльев. Для решения этой проблемы в программномобеспечении дефектоскопов УД3-71 и УД4-76 предусмотрен гиперболический строб, состоящий издвух гиперболических курсоров. Здесь используетсяспециальный программный алгоритм, позволяющийнакладывать левый и правый курсоры, соответственно,на левое и правое крылья индикации. Таким образом,они ограничивают центральную часть индикации,которая соответствует фактической длине дефекта.Все это делается полностью автоматически.Но иногда, при низком соотношении сигнал/шум автоматический алгоритм может не совсемправильно определять позиции гиперболических курсоров. В таком случае нужно перейти наручной режим и визуально совместить курсоры с «крыльями» индикации.Иногда возникает необходимость сравнить два дефекта, их размеры и координаты. Дляэтого используются два строба – их размещают на индикациях обнаруженных дефектов, врезультате чего дефектоскоп выдает сравнительную таблицу параметров этих дефектов.ЗаключениеИспользование TOFD версий дефектоскопов УД3-71 и УД4-76 в комплекте с TOFDсканером и ПЭП позволяет:? сократить время простоя оборудования - для проведения контроля достаточновыполнить только продольное сканирование;Рис. 7. Измерение параметровдефекта – координат, размеров,амплитуды.7? повысить достоверность и информативность контроля, так как выявляются иизмеряются трещины практически любой ориентации;? выявлять и измерять размеры дефектов на труднодоступных участкахоборудования, что обеспечивается небольшими размерами применяемого TOFDсканера и дефектоскопов;? принимать обоснованные решения о необходимости замены, ремонта илидальнейшей эксплуатации оборудования, зная тип и фактические размеры(следовательно, и степень опасности) дефектов, выявленных в процессе контроля;? экономить средства на необоснованные ремонты и замены деталей;? снизить дозовые нагрузки на персонал, выполняющий контроль, заменяя в рядеслучаев рентгенографию на TOFD, а также уменьшая время контроляоборудования, находящегося в зоне действия ионизирующего излучения.? предоставить дефектоскописту богатый набор инструментов для анализа ивизуализации данных контроля.

Библиография1. Гурвич А.К., Ермолов И.Н. Ультразвуковой контроль сварных швов. Киев: Техника, 1972.460 с.2. Krautkramer I., Krautkramer Н Werkstoffprufunq mit ultraschall. -Sprinqer Verlaq, Berlin-NewYork. -1975, 669 s.3. Григорьев М.В., Гурвич А.К., Гребенников В.В., Семирханов С.В.. Ультразвуковой способопределения размеров трещин. Дефектоскопия, 1979, № 6, с. 50-56.4. Стандарт ASME по бойлерам и сосудам давления. Раздел VIII, Code Case 2235-95. Стандарт API 579. Recommended Practice for Fitness-for-Service6. Отчет CEN/TS 14751:2004. Применение дифракционно-временного метода (TOFD) дляконтроля сварных соединений.7. Стандарт ENV 583-6:2000 Non-destructive testing – Ultrasonic examination - Part 6:Time-of-flight diffraction technique as a method for detection and sizing of discontinuities.