Автоматизированный УЗК металлургической продукции в условиях массового производства

Автоматизированный УЗК металлургической продукции в условиях массового производства на примере разработок ИЭС им. Е. О. Патона

Об авторах

Сотрудники ГП «ОКТБ ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины»

Необходимо войти для просмотра
Найда Владимир Львович
Нач. отдела автоматизированных средств НК, академик АИН Украины

Необходимо войти для просмотра
Олейник Юрий Анатольевич
Ведущий инженер, 2 уровень по УЗК

Необходимо войти для просмотра
Гогуля Александр Николаевич
Ведущий инженер, 2 уровень по УЗК

Автоматизированный ультразвуковой контроль (АУЗК) является наиболее распространенным способом НК в промышленном производстве изделий различного назначения (трубы, железнодорожные колеса, прутки и т. п.). Повышение требований к качеству, увеличение скоростей основных технологических операций при производстве изделий, необходимость повышения информативности и достоверности контроля обусловили повышение уровня автоматизации и визуализации УЗК. Эффективность АУЗК также во многом зависит от согласованности с технологическим процессом изготовления изделий.

Современные установки АУЗК представляют собой сложные комплексы -механических, акустических, пневматических, гидравлических, электронных систем, связанных общим программным обеспечением, которые должны обеспечивать:

- соответствие методики АУЗК требованиям контроля, изложенным в нормативной технической документации на производство изделия;

- достоверность выявления дефектов при высокой скорости проведения контроля;

- высокую эксплуатационную надежность функционирования всех систем установки;

- удобную компоновку акустических блоков с ультразвуковыми преобразователями, позволяющую до минимума сократить время калибровки акустической системы при переналадке на выпуск изделий другого типоразмера;

- воспроизводимость результатов калибровки при повторных испытаниях в динамическом режиме на имитаторе дефектов;

- развитую систему визуализации процесса контроля и его результатов;

- запись и хранение всех А-сканов от обнаруженных дефектов;

- передачу данных о результатах контроля каждого изделия в АСУ ТП цеха или завода.

Конкуренция, существующая сегодня, например, в трубной промышленности, заставляет предприятия приобретать высококачественное оборудование для УЗК, отвечающее всем указанным требованиям.

С 2004 по 2007 гг. ОКТБ ИЭС им. Е. О. Патона разработало и поставило в Россию на ОАО «Выксунский металлургический завод» 9 установок АУЗК, обеспечивающих высокий уровень контроля:

- семь установок для АУЗК сварных швов и концевых участков труб диаметром 508 - 1420 мм (НК 360, НК 361, НК 362);

- две установки для АУЗК железнодорожных колес (НК 364).

Рис. 1. Схема расположения акустических головок при контроле продольных сварных соединений: Д1, Д2 - лазерные датчики слежения за валиком усиления сварного шва; 1 - 4 - группа наклонных ультразвуковых преобразователей для контроля на продольные дефекты; 5 - 16 - ультразвуковые преобразователи, работающие в схеме типа «тандем»; 9 - 16 - ультразвуковые преобразователи, стоящие на сварном шве и работающие в иммерсионном варианте на обнаружение поперечных дефектов

Изображенная на рис. 1 схема контроля сварных швов труб с толщиной стенки до 50 мм обеспечивает контроль согласно требованиям API 5L, ISO 3183, DNV-0S-F101.

Несмотря на высокую скорость контроля (до 30 м/мин) используемая локально-иммерсионная акустическая головка обеспечивает высокую достоверность выявления дефектов и надежный акустический контакт. Инспекторы Европейского Союза, контролирующие качество труб, выпускаемых на ОАО «ВМЗ», дали высокую оценку установкам НК 360, 361, 362 именно благодаря воспроизводимости результатов контроля при испытаниях в динамическом режиме на имитаторе дефектов, а также возможности просмотра и записи А-сканов обнаруженных дефектов.

Рис. 3. Схема расположения акустических головок при контроле концевых участков труб: А - акустический блок для контроля на наличие продольных дефектов; Б - акустический блок для контроля на наличие расслоений; 1 -широкозахватные пленочные ПЭП, зона контроля 60 мм; 2 - иммерсионная ванна; 3 - наклонные ПЭП с углами ввода 45°, зона контроля 30 мм

Общий вид установки УЗК сварных швов представлен на рис. 2.

Высокими акустическими характеристиками обладают и ультразвуковые блоки для контроля концевых участков труб (рис. 3 и 4). Изображенная на рис. 3 схема расположения преобразователей в этих блоках обеспечивает за три оборота контроль зоны 100 мм на расслоение и 30 мм на продольные дефекты.

Рис. 4. Акустические блоки для контроля концевых участков труб: акустические блоки для контроля на наличие расслоений (1) и на наличие продольных дефектов (2)

При выборе основных схем контроля сварных швов и концевых участков труб помимо стандартов API 5L, ISO 9765 учитывались дополнительные технические требования завода по ширине контролируемых концевых участков труб. Наиболее удачная конструкция локально-иммерсионных акустических блоков с преобразователями установки НК 362М показана на рис. 4.

Рис. 5. Схема расположения преобразователей и зоны контроля установки НК 364: а - контроль обода в осевом направлении и контроль наклонными ПЭП; б - контроль диска; в - контроль ступицы; г - контроль обода в радиальном направлении; д - расположение ПЭП при контроле реборды; е - расположение ПЭП при контроле наклонными датчиками; 1 - 6 - наклонные ПЭП для контроля обода, 7 - 9 - прямые ПЭП контроля обода в осевом направлении; 10 - наклонный ПЭП для контроля реборды; 11 - 14 - прямые ПЭП для контроля диска; 15 - 17 - прямые ПЭП контроля обода в радиальном направлении; 18 - прямой ПЭП для контроля ступицы

На рис. 5 изображена схема расположения акустических пьезопреобразователей при контроле железнодорожных колес (установка НК 364). Выбор схемы УЗК железнодорожных колес определялся на основе руководящих материалов МПС России РД 32.144-2000 с дополнениями. Этот документ предусматривает обнаружение наиболее часто встречающихся дефектов, а также дефектов, сильно влияющих на безопасность эксплуатации.

В обоих случаях контроль ведется эхоимпульсным методом продольными и поперечными волнами на частотах 2,5 и 5,0 МГц. Учитывая высокие скорости контроля (до 30 - 40 м/мин), был выбран локально-иммерсионный способ создания акустического контакта. Были разработаны локально-иммерсионные акустические блоки с преобразователями на основе композитной пьезокерамики фирмы Panametrics (рис. 6). Это позволило надежно осуществлять контроль акустического контакта по всем ультразвуковым каналам и иметь отношение сигнал/ шум не хуже 16 дБ. Кроме того, локальноиммерсионный способ получения акустического контакта не так критичен к качеству поверхности контролируемых изделий.

Рис 7. Модуль для контроля S-образного диска; общий вид блока (а) и акустическая головка (б): 1 - электродвигатель с энкодером; 2 - преобразователь с угловым разъемом; 3 - направляющая -редуктор; 4 - опорный ролик; 5 - пружинный механизм; 6 - опорная пластина

Учитывая перспективу изготовления в будущем колес с S-образным диском, был разработан специализированный сменный блок для УЗК таких колес (рис. 7).

Основной особенностью этого блока является отсутствие контакта акустических блоков с контролируемой поверхностью. В данной конструкции акустического блока нет башмака, единственным соприкасающимся с колесом звеном является ролик, который поворачивается с помощью электроприводов вместе с корпусом датчика во время перехода на последующую дорожку.

При калибровке на имитаторе дефектов выбираются необходимые углы наклона преобразователей для установки их перпендикулярно касательной поверхности контроля. В дальнейшем программа автоматически выставит заданные углы при сканировании диска.

В процессе контроля на каждом шаге датчики поворачиваются электродвигателями на определенный в процессе калибровки угол.

Универсальный ультразвуковой дефектоскоп НК 363 выполнен на базе ультразвуковых плат французской фирмы «Socomate». Они представляют собой PCI платы полного размера для установки в шасси промышленного компьютера, предназначены для создания ультразвуковых дефектоскопов различной сложности и для реализации различных схем контроля. Это очень удобно для решения различных задач контроля.

Непосредственно плата производит усиление, фильтрацию и оцифровку сигнала, цифровую обработку и предварительное хранение в памяти самой платы для дальнейшей передачи пакетами в ОЗУ компьютера с использованием режима DMA. Предусмотрен высокоскоростной сбор данных в режиме А- и С-скана. Продукция хорошо известна (в Европе, Северной Америке, Азии, Африке) и широко используется такими известными фирмами, как «Rolls-Royce», «Pratt & Whitney» и «GE».

Система управления установками выполнена на базе универсального программируемого контроллера Simatic S7-300 (Siemens), станций распределенного ввода/вывода ЕТ-200 и панелей оператора 0Р-170 В. Обмен между участниками сети производится по шине PROFIBUS-DP.

Система управления позволяет оператору осуществлять диагностику работы датчиков и приводов по выводимой на экран дисплея пульта управления информации. В случае отказа оборудования на экран выводится информация о возможной причине неисправности, что позволяет быстро ее обнаружить и устранить.

Программирование контроллера системы управления выполнено стандартными инжиниринговыми средствами на базе программного пакета STEP 7. Разработанное программное обеспечение сбора и обработки данных УЗК носит универсальный характер и может выполнять требования любых задач контроля.

Система визуализации процесса и результатов контроля на установках обеспечивает выдачу максимальной информации оператору в режиме реального времени. Интерфейс программного обеспечения обеспечивает простоту и удобство работы как в режиме калибровки системы, так и в процессе проведения контроля.

Рис. 8. Просмотр результатов на установке НК 364: а - протокол контроля колеса; б - дефектограмма (концентрические окружности - зоны контроля; каждая из зон разбита на участки, соответствующие каждому из каналов; при обнаружении дефекта на дефектограмме отображается пятно красного цвета в соответствующей зоне); в - программа просмотра результатов контроля в режиме просмотра А-скана

На каждый проконтролированный объект выдается полный протокол контроля с выводом основных параметров контроля и информации об обнаруженных дефектах (рис. 8а). Реализована архивация результатов контроля с возможностью просмотра файлов данных по каждому проконтролированному объекту. В файлах данных сохраняется вся информация об обнаруженных дефектах, реализован просмотр А-сканов по выбранному дефекту (рис. 8б,в). Протоколы контроля каждого проконтролированного изделия передаются в систему АСУ ТП цеха.

Необходимость в удовлетворении растущих требований к скорости контроля, повышение уровня чувствительности, надежности систем АУЗК требует применения новых технологических решений, таких как:

1. Применение работающих в иммерсионном варианте преобразователей на основе композитной керамики, которые излучают более короткие импульсы и обладают большей абсолютной чувствительностью. Их применение обеспечивает уменьшение «мертвой» зоны.

2. Использование систем «преобразователь + дефектоскоп» с фазированными решетками, позволяющими управлять полем преобразователя для изменения угла ввода в широких пределах с помощью электронных устройств.

Одним из вариантов этой технологии является технология FAAST II, которая позволяет произвести замену нескольких одиночных ПЭП с разными углами ввода на один преобразователь на базе 2D-матричных фазированных решеток, который может формировать одновременно несколько ультразвуковых лучей с разными углами ввода в разных плоскостях.

Сейчас в ИЭС им. Е. О. Патона разрабатывается оборудование для АУЗК тела труб с применением этой технологии. Основные преимущества технологии FAAST II по сравнению с классической технологией ФАР:

- значительное увеличение производительности контроля;

- возможность обнаружения «косых» дефектов, что необходимо при контроле бесшовных труб;

- более низкая стоимость преобразователей и электронного оборудования по сравнению с классической технологией ФАР.

Характерной особенностью программной обработки FAAST II является возможность одновременного просмотра А-сканов каждого луча по аналогии с традиционными системами. Это привычно для операторов.


Пример дефектограммы с дефектами на стандартном образце, в том числе и косыми, показан на рис. 9

3. Использование при контроле криволинейных поверхностей (например, S-образного диска ж.-д. колес) автоматического слежения акустического блока за профилем поверхности.

4. Совершенствование программного обеспечения дефектоскопа для повышения уровня помехозащиты и наглядности визуализации результатов контроля.

5. И, наконец, совмещение в одном автоматизированном оборудовании двух методов. Например, помимо традиционного УЗК, можно применить для обнаружения поверхностных дефектов вихретоковый метод контроля.

Выводы

Возрастающие требования к качеству сварных труб, железнодорожных колес и т. п. требуют постоянного повышения уровня НК. На примерах разработок ИЭС им. Е. О. Патона показаны достижения в этой области. Разработанные средства АУЗК обеспечивают высокую достоверность обнаружения дефектов и высокую эксплуатационную надежность.

Литература

1. Неразрушающий контроль / Справочник в 7 т. // Под ред. В. В. Клюева. Т 3.- М.: Машиностроение, 2004. - 860 с.

2. Найда В. Л., Мозжухин А. А., Лобанов О. Ф. Новое поколение оборудования для УЗК сварных труб. - Автоматическая сварка. 2004. С. 58-62.

3. Ткаченко А. А., Найда В. Л., Копылов А. П. Обеспечение надежности автоматизированного УЗК сварных труб при их производстве. - В мире НК. 2006. С. 17 - 20.

4. Найда В. Л. Система управления АУЗК железнодорожных колес на Выксунском металлургическом заводе. - Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2008. № 2. С. 50-52.

Найда В.Л., Олейник Ю.А., Гогуля А.Н. Автоматизированный УЗК металлургической продукции в условиях массового производства на примере разработок ИЭС им. Е.О. Патона. − В мире НК. – Июнь 2011 г. − № 2 (52). − С. 57–60. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.