Автоматический ультразвуковой контроль сварных стыков при строительстве магистральных

Об авторе

Пасси Гарри
Генеральный директор и научный руководитель фирмы Sonotron NDT (Израиль).
Доктор наук, профессор,
III уровень НК в пяти дисциплинах (UT, ET, MPI, MIA, RT).

При строительстве морских и континентальных газо- и нефтепроводов трубы автоматически свариваются встык, затем быстро проверяются, изолируются и укладываются на шельф. Не вызывает сомнения необходимость обнаружения, оценки и ремонта дефектов сварки с высокой производительностью и надежностью с целью соблюдения сроков строительства, поэтому высокоскоростной автоматический ультразвуковой контроль (АУЗК) очень востребован как единственное решение, способное заменить радиографию в соответствии с имеющимися стандартами.

Рис. 1. Общий вид трубоукладочного корабля (а), установка/съем сканера и ПЭП на трубу (б), комната для размещения аппаратуры, управления сканированием и регистрации результатов контроля (в)

АУЗК стыковых швов труб осуществляется посредством сканирования вдоль линии сплавления с использованием нескольких ультразвуковых преобразователей (ПЭП), расположенных на внешней поверхности трубы с обеих сторон от шва. Сканер перемещает ПЭП и датчик координаты вдоль орбитального трака. В ранее разработанных системах АУЗК для подключения ПЭП, датчика координаты и мотора сканера к электронному блоку, реализующему излучение-прием ультразвуковых импульсов, управление, обработку и запись данных контроля, применяется многоканальный аналоговый кабель. Электронный блок обычно размещается в кабине автомобиля или в специально оборудованном помещении на трубоукладочном корабле на расстоянии до нескольких десятков метров от участка сканирования. АУЗК стыков труб выполняется бригадой из трех операторов: двое заняты установкой/съемом сканера с ПЭП на трубу, а третий управляет автоматическим сканированием, наблюдает за индикацией и процессом записи результатов, а также принимает окончательное решение о годности сварного шва или необходимости ремонта.

АУЗК стыковых швов труб регламентируется рядом стандартов, а именно: ASTM E-1961, API 1104, и DNV 2000 OS- F101, в соответствии с которыми объем сварного соединения позонно прозвучивается сфокусированными лучами (рис. 2):

Рис. 2. Пример профиля сварного шва и разделение на зоны с целью выявления несплавлений по кромке (а) и обнаружения дефектов в наплавленном металле (б)

Выбранные зоны последовательно прозвучиваются независимо друг от друга в соответствующих циклах илучения приема. Благодаря электронному управлению апертурой и ультразвуковым лучом, использование фазированных решеток (ФР) значительно уменьшает количество ПЭП, необходимых для многозонового прозвучивания. Это упрощает устройство сканирования и ускоряет контроль. Использование нескольких дополнительных TOFD и обычных ПЭП одновременно с ФР обеспечивает полноту прозвучивания шва: ФР ПЭП осуществляют эхо-импульсный и тандем-контроль на наличие компактных и линейно протяженных дефектов на поверхностях разделки (кромках) основного металла и в объеме наплавленного металла; обычные ПЭП применяются для обнаружения поперечных дефектов (Ки Х-схемы прозвучивания), расслоений в зоне термического влияния в основном металле и т.п.; TOFD ПЭП реализуют контроль по комплиментарной технологии, основанной на обнаружении дефектов по дифрагированным сигналам. Способность обнаружения дефектов в каждой зоне обеспечивается за счет калибровки системы АУЗК на специально изготавливаемых образцах, содержащих заданное число искусственных дефектов, чьи расположение, ориентация, форма и размеры полностью воспроизводят разнообразие дефектов, подлежащих обнаружению и записи.

Накопленный опыт применения АУЗК выявил ряд недостатков существующего оборудования:

• использование дорогого, тяжелого, и громоздкого многожильного кабеля увеличивает эксплуатационные расходы - стоимость одного кабеля, вероятность непреднамеренного повреждения которого очень высока, а износостойкость низка, составляет десятки тысяч долларов. При этом у организации, выполняющей контроль, нет иного выбора кроме приобретения кабелей впрок с целью недопущения остановки процесса АУЗК во время строительства трубопровода;
• в связи с необходимостью передавать аналоговые сигналы через кабель длиной в десятки метров отношение сигнал/шум невелико, а энергопотребление аппаратуры весьма высокое;
• перегрев аппаратуры из-за высокого энергопотребления вызывает необходимость использования водяного охлаждения и/или периодического выключения во время рабочей смены, а также заставляет ограничивать число задействованных высокочастотных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и количество параллельно работающих каналов излучения-приема;
• недостаточное количество АЦП вызывает необходимость мультиплексирования и увеличения частоты посылок, что, в свою очередь, также увеличивает энергопотребление;
• недостаточное количество каналов излучения-приема обусловливает необходимость сканирования стыкового сварного шва за более чем один оборот сканирующей системы и/или совмещение функций ФР и TOFD на призмах ФР ПЭП, что, в конечном итоге, замедляет контроль;
• отсутствие 100 %-й записи необработанных А-сканов для всех каналов ввиду упомянутых вынужденных ограничений возможностей существующего оборудования создает прецедент компромисса с неполным соответствием стандарту ASME 2235, который регламентирует использование УЗК вместо радиографии.

Система I SON IC PA AUT фирмы Sonotron NDT представляет собой новое высокотехнологичное решение для скоростного автоматического контроля стыковых швов труб, обеспечивающее наивысший уровень эксплуатационных характеристик. Система выполнена в легком ударопрочном герметичном корпусе который устанавливается на сканер; обычный удаленный компьютер (ПК) полностью обеспечивает управление системой, накопление и отображение данных контроля, используя Ethernet протокол, при этом отпадает необходимость в дорогом, тяжелом и громоздком многоканальном аналоговом кабеле - лишь легкая тонкая бронированная трубка приводит кабель электропитания и типовой Ethernet кабель на специально спроектированный вращающийся терминал прибора. Принимаемые сигналы оцифровываются и первично обрабатываются в режиме реального времени непосредственно на сканере, и данные контроля в цифровом виде передаются на удаленный ПК для дальнейшей обработки, хранения и отображения. Полностью цифровое управление и передача данных через Ethernet обеспечивают практически неограниченное расстояние между системой контроля и удаленным ПК, создавая определенную гибкость в организации постов контроля на трубоукладочном корабле, на трассе и т. п.

ПЭП подключаются к I SON IC PA AUT короткими кабелями, что, по сравнению с передачей сигнала через длинный аналоговый кабель, обеспечивает значительно более высокое качество сигналов, улучшая соотношение сигнал/шум и расширяя динамический диапазон. Помимо этого отношение сигнал/шум и динамический диапазон увеличиваются за счет уникального решения по генерации зондирующих импульсов -прибор вырабатывает биполярный прямоугольный импульс с регулируемым размахом до 300 В для ФР ПЭП и до 400 В для обычных и TOFD ПЭП. Длительность и амплитуда зондирующего импульса, а также сдвиг фаз между каналами излучающей апертуры ФР регулируются в широких пределах. При этом поддерживаются 0,5 %-я стабильность амплитуды и «полки» прямоугольного зондирующего импульса в течение действия обеих полуволн при бустированной крутизне фронтов, что обусловливает наивысшую эффективность электроакустического преобразования.

Количество элементов ФР ПЭП, составляющих излучающую апертуру, не ограничено - в случае необходимости все элементы каждого из ФР ПЭП, подключенных к системе, могут излучать одновременно. Аналоговое усиление до 100 дБ возможно для всех каналов, обслуживающих ФР, TOFD и обычные преобразователи. Система осуществляет 16-ти разрядное аналого-цифровое преобразование сигналов с частотой дискретизации 100 МГц параллельно для всех элементов приемной апертуры ФР ПЭП. В случае необходимости приемная апертура может быть скомпонована из всех элементов ФР ПЭП, подключенных к системе, - мультиплексирование не используется. Оцифрованные сигналы фазируются и складываются в соответствии с реализуемым фокальным законом «на лету» в реальном времени, и результирующий цифровой А-скан формируется в каждом цикле излучения-приема. Этим обеспечивается наивысшая производительность накопления, обработки и хранения данных АУЗК.

Рис. 3. Пример трассировки ультразвуковых лучей: а - обнаружение не- сплавлений по кромке по тандемной схеме; б - обнаружение дефектов в наплавленном металле эхо-методом; в - окончательный результат трассировки

Рис. 4. Настройка циклов излучения-приема на образце трубы с искусственными дефектами: а - общий вид; б, в - примеры экрана удаленного ПК при настройке на выявление дефекта с использованием соответственно ФР-ПЭП по тандемной схеме и TOFD ПЭП

ISONIC PA AUT реализует накопление и хранение данных контроля в удаленном ПК в необработанном виде, обеспечивая возможность ретроактивного воспроизведения всех полученных А-сканов; это обеспечивает полное соответствие с ASME 2235. Каждый канал излучения-приема для обычных и TOFD преобразователей может работать как в раздельном, так и в совмещенном режиме, поэтому при использовании раздельно-совмещенных преобразователей, прозвучивании по технологии TOFD, применении К- и Х-схем обнаружения поперечных дефектов сдвиговыми волнами и т. д., в отличие от существующих систем АУЗК требуется вдвое меньше каналов. Рациональная конструкция обеспечивает исключительно низкое энергопотребление системы, исключая необходимость применения водяного и других видов охлаждения.

Рис. 5. Контроль акустического контакта: по донному сигналу: а - поперечной волны, распространяющейся от одного ФР-ПЭП к другому; б - продольной волны, формируемой и принимаемой одним и тем же ПЭП

Рис. 6. Пример экрана удаленного ПК при сканировании образца трубы

В типовой конфигурации система ISONIC PA AUT содержит 128 каналов, обеспечивающих одновременную работу двух 64-х элементных ФР ПЭП, и 16 отдельных независимых каналов излучения- приема для обычных и TOFD преобразователей; система допускает развитие до 512 ФР-каналов, например, с целью применения матричной ФР-технологии для трехмерного управления ультразвуковым лучом. Количество отдельных независимых каналов излучения-приема для обычных и TOFD ПЭП также может быть увеличено до 32 или 64. Один ПК может управлять несколькими (до 16) системами одновременно, обеспечивая рациональную организацию работ и минимизируя количественный состав персонала.

Рис. 7. Виды дорожек при записи результатов АУЗК: а - «кардиографический»; б - картографический; в - TOFD; г - индикатор контакта


Рис. 8. Пример представления результатов АУЗК сварного шва

Стадии скоростного АУЗК стыковых швов труб с применением системы ISONIC PA AUT

Подготовка к контролю

Подготовка к контролю - наиболее трудоемкая операция, которая может занять от одного до трех дней.

Трассировка ультразвуковых лучей

Для трассировки применяется специальная программная утилита. В диалоговом режиме оператор определяет основные параметры ФР ПЭП (количество элементов, шаг апертуры, скорость продольной ультразвуковой волны в призме и все ее геометрические параметры, а также позицию ФР ПЭП на призме и задержку протектора ФР ПЭП). Затем из базы данных выбирается тип разделки основного металла и задаются все геометрические параметры, после чего объем шва разделяется на горизонтальные слои (зоны), задаются позиции ФР ПЭП относительно оси сварного стыка. В результате в интерактивном режиме осуществляется трассировка лучей в объекте, причем, в зависимости от типа дефекта, подлежащего обнаружению в той или иной зоне прозвучивания, используется эхо-метод (совмещенная апертура излучения-приема) или тандемная схема (разделение излучающей и приемной апертур) - рис. 3.

По окончании трассировки определяется фактическое число циклов излучения-приема, которые должны быть реализованы с использованием ФР ПЭП в каждой точке во время линейного сканирования вдоль оси сварного шва. Интервал между двумя соседними точками согласно принятым нормам обычно составляет 0,5 - 1 мм.

Настройка циклов излучения приема

Настройка циклов излучения-приема для ФР, TOFD и обычных ПЭП осуществляется на образце трубы с искусственными дефектами и сводится к последовательной установке каждого из применяемых ПЭП в позиции, где расположены дефекты, подлежащие обнаружению в соответствующем цикле излучения-приема. Для каждого цикла настраивается усиление, зона контроля, длительность полуволн зондирующего импульса и т. п. Процедура настройки иллюстрируется рис. 4.

Следует отметить, что при АУЗК необходимо применять непрерывное слежение за акустическим контактом и регистрировать его состояние одновременно с информацией об обнаружении дефектов. При использовании ФР ПЭП в ISONIC PA AUT предусмотрены два способа контроля акустического контакта (рис. 5), для которых отдельно организуются дополнительные циклы излучения- приема.

Контрольное сканирование

По завершении настройки всех циклов излучения-приема осуществляется контрольное сканирование образца трубы с заданной скоростью с целью подтверждения обнаружения и регистрации всех дефектов в образце. Результаты контроля представляются в виде «прокручиваемой» ленты, где каждому задействованному каналу соответствует отдельная «дорожка» (рис. 6). Возможны следующие виды записи для отдельных «дорожек» (рис. 7):

• «кардиографический» - черная линия отображает огибающую максимальной амплитуды сигнала, совпадающего со стробирующим импульсом, а ширина одновременно воспроизводимой сплошной серой полосы соответствует временному сдвигу между началом стробирующего импульса и сигналом. При этом отклонение огибающей, равное всей ширине «дорожки» соответствует полной амплитуде сигнала на А-скане; ширина сплошной серой полосы, равная всей ширине «дорожки», соответствует совпадению фронта или пикового сигнала с моментом окончания стробирующего импульса. Огибающая максимальной амплитуды сигнала и сплошная серая полоса, отображающая его временной сдвиг относительно начала стробирующего импульса, воспроизводятся лишь при условии превышения порога, определяемого вертикальной позицией стробирующего импульса на А-скане, но запоминание А-сканов осуществляется безусловно;
• картографический - каждый А-скан, принимаемый во время сканирования, отображается в виде горизонтальной линии с цветовой/яркостной модуляцией трека в соответствии с мгновенными значениями амплитуды сигнала;
• TOFD - каждый невыпрямленный А-скан, отображается в виде горизонтальной линии, яркость точек которой модулируется в соответствии с мгновенными амплитудой и знаком сигнала;
• индикатор контакта - амплитуда сигнала сравнивается с пороговым уровнем и в случае превышения над ним отображается зеленым прямоугольником, а в противном случае - красным.

Взаимное расположение «дорожек» определяется позицией соответствующих преобразователей на объекте контроля.*

При достижении удовлетворительных результатов контрольного сканирования результаты настройки сохраняются для последующего использования при рутинном контроле.

Выполнение контроля

При выполнении контроля операторы попеременно устанавливают систему на реальную трубу и на контрольный блок. Сканирование контрольного блока периодически осуществляется для того, чтобы удостовериться в полной работоспособности аппаратуры, частота таких проверок определяется процедурой контроля. На рис. 8 приведен пример записи результатов АУЗК реального сварного стыка.**

Время, затрачиваемое на сканирование сварного шва, не превышает одну - две минуты в зависимости от диаметра трубы и толщины стенки, при этом все А-сканы сохраняются в необработанном виде и могут быть воспроизведены в любой момент для подтверждения и оценки зафиксированных индикаций.

* Видео файл, иллюстрирующий сканирования образца трубы с использованием системы ISONIC PA AUT, доступен для просмотра по ссылке: http://www.sonotronndt.com/RepInfo/I...lockScan01.wmv
Видео файл, иллюстрирующий соответствующий экран удаленного ПК, доступен для просмотра по ссылке: http://www.sonotronndt.com/RepInfo/I...anScreen01.wmv
** Видео файл, иллюстрирующий АУЗК, доступен для просмотра по ссылке http://www.sonotronndt.com/RepInfo/I...T_70MM_SEC.wmv

[admin]

Пасси Г.С. Автоматический ультразвуковой контроль сварных стыков при строительстве магистральных трубопроводов высокого давления. − В мире НК. − Март 2009 г. − № 1 (43). − С. 6−13. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.