Пепеляев А.В., технический консультант ООО «ТЕХКОН»
Статья подготовлена для журнала «Территория NDT»
В статье дано понятие о двойных (раздельно-совмещенных) матричных преобразователях – фазированных решетках (ПФР). Рассмотрено их применение при УЗК основного металла, в том числе для выявления коррозионного растрескивания. Изложены методические приемы для повышения контролепригодности сварных швов из нержавеющих сталей, которые реализуются в специализированных ПФР. Выполнен сравнительный анализ результатов УЗК сварного шва из нержавеющей стали, проведенного линейным и двойным матричным ПФР.
Двойные матричные преобразователи
В предыдущей статье [7] было рассказано о матричных ПФР. Здесь рассмотрим двойные матричные ПФР, в которых массивы излучающих и принимающих элементов разделены на две группы (рис. 1).
Рис. 1. Двойной матричный ПФР типа DMA.
Такая конфигурация позволяет использовать при контроле преимущества раздельно-совмещенной схемы подключения генераторов и приемников по сравнению с совмещенной. К ним относятся фокусировка лучей с пересечением диаграмм направленности излучающих и принимающих элементов на заданном уровне и в заданной области объекта контроля (ОК) (рис. 1), а также уменьшение мертвой зоны и рост чувствительности к отражателям, близко расположенным к поверхности ввода ультразвука.
Двойные матричные ПФР часто обозначают аббревиатурой DM или DMA (dual matrix array). Если число элементов в основной плоскости DMA больше, чем в дополнительной, например 7×4, то такие массивы иногда относят к типу 1.5D [7].
Вместе с DMA рассмотрим двойные линейные ПФР, в которых излучающие и принимающие элементы образуют линейные массивы. Они обозначаются как DL или DLA (dual linear array).
ПФР типа DMA и DLA широко используют, например, при УЗК основного металла и коррозионном мониторинге, а также при УЗК сварных швов из нержавеющих сталей и других подобных материалов с высоким уровнем структурных шумов.
Применение DMA и DLA повышает чувствительность контроля и надежность выявления дефектов, снижая при этом риск перебраковки. Они позволяют решать различные сложные задачи УЗК. Это показывают примеры из практики, которые будут рассмотрены далее.
Применение ПФР DLA при коррозионном мониторинге.
В настоящее время сплошной УЗК основного металла для выявления коррозионных и других дефектов чаще выполняют прямыми совмещенными ПФР линейного типа. Например, широко применяется роликовый ПФР R1 из 64 элементов, который при рабочей частоте 5 МГц имеет мертвую зону (приповерхностное разрешение) около 2 мм [4].
Для уменьшения мертвой зоны до значения 0,5… 1 мм используют ПФР типа DLA, иначе говоря, раздельно-совмещенные ПФР. Другой способ уменьшить мертвую зону – это сократить длительность импульсов, в том числе за счет увеличения рабочей частоты преобразователя.
ООО «ТЕХКОН» в своих проектах по инструментальному обеспечению УЗК металлоконструкций, где требовалось высокое разрешение и выявление дефектов на минимальной глубине до 0,5 мм, применял ПФР DLA модели REX1 (рис. 2) [3]. Он имеет двойную апертуру 32 или 64 элемента и рабочую частоту от 2 до 10 МГц. Конструктивно данный ПФР включает сменную акустическую задержку с возможностью притирки под конкретный диаметр, вставки с быстрой регулировкой высоты для защиты рабочей поверхности от износа, а также систему подачи контактной жидкости.
Рис. 2. ПФР типа DLA, модель REX1.
Для документирования результатов контроля в виде карт коррозии к нему крепят датчик пути либо устанавливают в сканеры различных моделей [4]. Минимальный наружный диаметр ОК цилиндрической формы для ПФР REX1 равен 101,6 мм.
ПФР DLA также используют для обнаружения опасных коррозионных повреждений, которые распространяются по границам зерен в виде сетки мелких трещин (коррозионное растрескивание). Это не приводит к потере металла, но резко ухудшает его механические свойства. Такие процессы вызывает, например, высокотемпературная водородная коррозия (high temperature hydrogen attack, HTHA). Для выявления подобных дефектов, особенно в начальной стадии их образования, требуется высокая чувствительность, поэтому применяют DLA с относительно высокой рабочей частотой, например 10 МГц. К ним относится упомянутый выше REX1, а также двойной раздельно-совмещенный 10DL32-A28 со сменными наклонными призмами и фокусировкой на различные диапазоны глубин [3].
Технология УЗК сварных швов из нержавеющих сталей
Кратко рассмотрим данный вопрос, чтобы лучше показать эффективность применения ПФР типа DMA и DLA для решения возникающих проблем. Наплавленный металл сварных швов из нержавеющих (коррозионностойких) сталей, включая стали аустенитного класса, может отличаться крупнозернистой анизотропной структурой. Для ультразвукового сигнала при распространении в подобной среде характерны высокое затухание, а также многократная рефракция и рассеяние, в том числе обратное, которое происходит на границах зерен. Лучи при этом отклоняются от прямого направления, разделяются и переотражаются. Схематически это показано на рис. 3.
Рис. 3. Пример хода лучей в сварном шве из нержавеющей стали.
Данные факторы и создают основные проблемы при УЗК. Например, амплитуда и другие характеристики сигналов, отраженных от границ зерен (структурных помех), могут быть сопоставимы с сигналами от недопустимых дефектов типа трещин, несплавлений и других нарушений сплошности. По этим же причинам значительно снижается точность измерения координат отражателей. Нередко нужные отражатели просто не выявляются.
В некоторых случаях УЗК сварных швов из нержавеющих сталей может проводиться теми же преобразователями, что применяют для сварных швов углеродистых сталей. Но встречаются сварные швы из нержавеющих сталей, которые неконтролепригодны для УЗК, выполняемого данными средствами. Некоторые признаки контролепригодности (дефектоскопичности) приведены, например, в документе [1].
В то же время отработаны средства и методические приемы, которые позволяют повысить контролепригодность подобных объектов, особенно для толщин более 10 мм. К ним относятся:
- использование преобразователей с увеличенной апертурой и пониженной рабочей частотой по сравнению с теми, что применяют при УЗК сварных швов из углеродистых сталей той же толщины;
- применение раздельно-совмещенных преобразователей вместо совмещенных;
- локализация контролируемого объема путем фокусировки излучаемых и принимаемых лучей;
- использование продольных волн вместо поперечных, что увеличивает длину волны при той же частоте ультразвуковых сигналов;
- применение головных волн, которые позволяют контролировать больший объем прямым лучом вместо однократно отраженного, сокращая тем самым длину лучей в зоне структурных помех.
Одно только снижение рабочей частоты преобразователя может не дать нужный эффект. Также отметим, что для высокочастотных дефектоскопов используют преобразователи с минимальной частотой 0,5 МГц. Но для сварных швов обычно применяют частоты не ниже 1,5…2,0 МГц, что связано с обеспечением требуемой чувствительности и пространственного разрешения.
Иногда перечисленные выше методические приемы объединяют в названии «Технология TRL», акцентируя внимание на их главных особенностях – это применение раздельно-совмещенной схемы и продольных волн [2].
ПФР и призмы для сварных швов из нержавеющих сталей
Для выполнения указанной в предыдущем разделе технологии контроля применяют в том числе и специализированные ПФР типа DMA и DLA. ООО «ТЕХКОН» поставляет заказчикам такие ПФР, производимые компаниями Eintik, а также Wabtec (бывшей Olympus и Evident) [3].
Для контроля сварных швов толщиной от 2 до 100 мм и более, а также для решения других задач серийно выпускают DMA и DLA с частотами от 1,5 до 10 МГц. Их двойная апертура составляет от 12×5 до 32×12 мм. Но при необходимости она может быть увеличена, например до 64×26 мм (DLA из 64 элементов с шагом 1 мм и шириной 26 мм).
Одним из часто применяемых является ПФР 2.25DM-M17 производства Eintik (рис. 4). Он имеет двойной массив 7×4 элемента для излучателей и такой же для приемников, что соответствует двойной апертуре 19,6×12,0 мм, и частоту 2,25
МГц.
Рис. 4. ПФР типа DMA 2.25DM-М17 с призмой для продольных волн.
Если основной угол призмы β будет меньше первого критического, это обеспечит ввод в ОК продольных волн (рис. 1, 4).
Фокусировка DMA с пересечением акустических осей излучателя и приемника в заданной области ОК может быть реализована математически - путем создания фокальных законов. Для этого нужны массивы с достаточным числом элементов в дополнительной плоскости, обычно не менее четырех.
Другой способ фокусировки DMA и DLA – конструктивный, за счет использования дополнительных углов призмы γ и ε (рис. 1). Для этого излучающая и принимающая матрицы могут находиться в двух разных корпусах (рис. 4). А в некоторых моделях их можно повернуть друг к другу в одном корпусе при фиксации на призме. Подобную конструкцию имеют, например, упомянутый выше 10DL32-A28, а также малогабаритный низкопрофильный ПФР DLA модели 5DL16-M25 производства Eintik (рис. 5). Он предназначен для контроля кольцевых сварных швов на трубах малого диаметра при ограниченном доступе и может применяться со специализированным сканером типа COBRA [4].
Рис. 5. ПФР типа DLA 5DL16-M25 для труб малого диаметра.
Как и у большинства ПФР, призмы DMA и DLA являются сменными. Это позволяет использовать для одного ПФР призмы с различной фокусировкой, модами волн и диапазоном углов ввода.
Для уменьшения собственных шумов и помех излучающая и принимающая зоны призм DMA и DLA разделены акустическим экраном. Другая характерная особенность раздельно-совмещенных, как и раздельных призм – это отсутствие демпфера – ловушки сигналов на их передней грани (рис. 4).
Из-за высокого уровня структурных помех контроль сварных швов из нержавеющих сталей однократно отраженным лучом даже для сравнительно небольших толщин, например 20 мм, может быть невозможен. Чтобы сократить длину пути ультразвукового сигнала, нужно как можно больший объем сварного шва прозвучивать прямым лучом, для чего требуется увеличить угол ввода. С этой целью выпускают, например, призмы с базовым углом ввода 80° для продольных волн и призмы с маркировкой DNCR. Они позволяют поднять верхнюю границу секторного сканирования до 89°, причем сделать это не только формально (как, например, для призм с углом ввода поперечных волн 55°), а с получением полезных сигналов (рис. 6) [2]. В данном случае речь идет о применении волн, возникающих при первом критическом угле, а именно о разновидности головных волн – продольно-поверхностной волне, называемой также ползущей (creeping wave).
Рис. 6. Применение больших углов ввода для ПФР DMA и DLA.
Как и для многих других моделей, призмы DMA и DLA выпускают со встроенной системой подачи контактной жидкости и износостойкими вставками (рис. 6). Эти призмы также могут быть притерты под диаметр ОК. Например, призму для 5DL16-M25 (рис. 5), с учетом его предназначения можно притереть под минимальный наружный диаметр 26,7 мм для кольцевых сварных швов на трубопроводах.
Пример УЗК сварного шва из нержавеющей стали
Эффективность применения специализированного ПФР DMA показывает следующий пример. Контролируется сварной шов из хромо-никелевой нержавеющей стали толщиной 35 мм с Х-образной разделкой кромок. На границе основного и наплавленного металла на глубине 25 мм от поверхности ввода ультразвука выполнен контрольный отражатель – боковое цилиндрическое отверстие диаметром 2 мм (далее БЦО).
В данном случае выявление подобных отражателей на границе основного и наплавленного металла при прозвучивании со стороны основного металла не вызывает проблем. Это справедливо при условии, что основной металл получен путем проката и имеет относительно мелкозернистую изотропную структуру, без дефектов типа расслоений. Но встречались и исключения, например трубы из нержавеющей стали, изготовленные методом центробежного литья.
Поэтому для демонстрации технологии контроля желательно выявить отражатели в сварном шве по такой схеме, когда значительная часть пути ультразвукового сигнала проходит через наплавленный металл, то есть в данном случае выполнить прозвучивание сварного шва со стороны наплавленного металла. Именно это и было сделано в рассмотренном примере.
Сначала контроль проводился линейным ПФР 2.25L16-A10, который часто используют для сварных швов из углеродистых, а иногда из нержавеющих сталей при толщине последних, как правило, до 10 мм. Затем был применен специализированный ПФР типа DMA 2.25DM-M17, о котором рассказано выше (рис. 4). Он подключался к дефектоскопу PHASEYE, имеющему 32 независимых канала, что в данном случае является минимальным требованием. Для обоих ПФР использовалась фокусировка по глубине залегания БЦО. Сравнительные результаты контроля, полученные для двух ПФР разного типа, приведены в таблице.
Таблица. Результаты УЗК сварного шва из нержавеющей стали.
|
Характеристики ПФР |
|||||||
|
Модель |
Тип |
Схема подключения |
Рабочая частота, МГц |
Апертура |
Тип волны, возбуждаемой в ОК |
Диапазон секторного сканирования, ° |
|
|
2.25L16-A10 |
Линейный |
Совмещенная |
2,25 |
16 элементов, 9,6×10,0 мм |
Поперечная |
40…70 |
|
|
2.25DM-M17 |
Двойной матричный, DMA |
Раздельно-совмещенная |
2,25 |
Двойная 7×4 элемента, 19,6×12,0 мм |
Продольная, головная |
35…89 |
|
|
Результаты контроля |
|||||||
|
2.25L16-A10 |
2.25DM-M17 |
||||||
|
БЦО не выявлено. Индикация БЦО отсутствует, при этом в зоне шва перед БЦО имеются множественные индикации с амплитудой до 80 % и более, высотой до 10 мм, предположительно образованные структурными шумами, поскольку похожие результаты были получены и в других контрольных сечениях по всей протяженности сварного шва. Полученный S-скан представлен на рис. 7. |
БЦО выявлено. Имеется четкая индикация БЦО с амплитудой сигнала до 80 %. Другие локализованные индикации в зоне шва отсутствуют, шумы в ней распределены практически равномерно, при этом их амплитуда не превышает 20 %. Положение индикации БЦО также соответствует его действительным координатам. Полученный S-скан представлен на рис. 8. |
||||||
|
|
| Рис. 7. S-скан линейного ПФР | Рис. 8. S-скан ПФР DMA |
1. Применена следующая шкала цветокодировки амплитуды сигналов, в % от полной высоты А-скана.
2. Пунктирные линии отображают примерные границы зоны сплавления сварного шва.
3. Окружность черного цвета показывает действительное положение БЦО.Заключение
УЗК сварных швов из нержавеющих сталей является сложной задачей, поскольку необходима селекция полезных сигналов на фоне значительных структурных помех. Контролепригодность таких швов в связи с большим разнообразием их структурных и, следовательно, акустических свойств требует экспериментальной проверки. Одно из средств повысить контролепригодность – это использовать специализированные ПФР.
В рассмотренном примере УЗК сварного шва из нержавеющей стали проводился линейным ПФР универсального применения и специализированным ПФР DMA, которые имели одинаковую рабочую частоту 2,25 МГц. Выявить контрольный отражатель в сварном шве удалось только с помощью ПФР DMA (рис. 8). Для линейного ПФР это оказалось невозможно по причине высокого уровня структурных помех (рис. 7).
ПФР DMA кардинально улучшил отношение амплитуды полезного сигнала к уровню помех. Можно сказать, что он обеспечил «просветление» структуры сварного шва для проходящих ультразвуковых сигналов. К такому заметному эффекту привели следующие характеристики ПФР DMA: двойная матричная конструкция, раздельно-совмещенная схема, фокусировка излучателей и приемников, увеличенная апертура и использование продольных волн.
Кроме того, важным преимуществом ПФР DMA является возможность применять головные волны, что повышает надежность выявления дефектов, близко расположенных к поверхности ввода ультразвука.
Этот пример дополняет другие, которые мы привели в цикле статей о специализированных ПФР [5-7]. Они еще раз доказывают, что выбор нужного преобразователя – это ключ к решению очень многих задач УЗК (рис 9).
Рис. 9. ПФР различного назначения производства Eintik.
Библиографический список
1. СТО 00220256-014-2008. Инструкция по ультразвуковому контролю стыковых, угловых и тавровых сварных соединений химической аппаратуры из сталей аустенитного и аустенитно-ферритного классов с толщиной стенки от 4 до 30мм. ОАО «НИИХИММАШ». 2008.
2. Ультразвуковые методы контроля сварных соединений. Olympus. 2020.
3. Ультразвуковые фазированные решетки. Каталог // Сайт ООО «ТЕХКОН». URL: https://techkontrol.ru/preobrazovateli-i-komplektuyushchie/ultrazvukovye-fazirovannye-reshetki
4. Сканеры для ультразвукового контроля. Каталог // Сайт ООО «ТЕХКОН». URL: https://techkontrol.ru/skanery
