Скорость сканирования при УЗК фазированными решетками

Скорость сканирования – важный параметр, который определяет как надежность, так и производительность контроля. Ее нужно правильно настроить и постоянно отслеживать, чтобы обеспечить баланс между этими показателями. Кроме того, учет скорости сканирования необходим при планировании работ по контролю: объемов и сроков выполнения, количества и квалификации персонала, комплектации и характеристик оборудования. В статье показано, от каких факторов зависит скорость сканирования, и какими средствами можно обеспечить ее оптимальные значения.

1. Общие положения.

Одна из основных целей, для которых стали применять фазированные решетки сначала в радиолокации, а потом и в УЗК – это заменить некоторые виды механического сканирования электронным и тем самым резко повысить общую скорость данного процесса.

В УЗК с преобразователями – фазированными решетками (ПФР) обычно выполняют комбинацию электронного и механического сканирований. Например, ПФР механически перемещается в направлении продольной оси сварного шва, поперечные сечения которого контролируются при этом за счет электронного сканирования. В первую очередь это относится к автоматизированному и механизированному УЗК (АУЗК и МУЗК).

Далее под скоростью сканирования будет пониматься скорость механического перемещения ПФР по заданной координатной оси S при проведении контроля импульсным эхометодом. Другие методы, которые используют специальные алгоритмы сбора первичных данных и их последующей математической обработки, например, метод общей фокусировки TFM, должны быть рассмотрены отдельно.

В большинстве систем АУЗК и МУЗК блок акустических преобразователей непрерывно перемещается по оси механического сканирования S. Скорость такого сканирования ограничена тем, что за время смещения на заданный шаг ΔS должен быть выполнен полный цикл электронного сканирования в контрольном сечении – в заданном объеме объекта контроля (ОК), с автоматической регистрацией и сохранением полученных данных.

Если пренебречь временем, которое занимает электронная обработка сигнала в дефектоскопе и учесть только факторы акустического тракта, то максимальную скорость механического сканирования ПФР V_CMax можно определить по формуле:

где: f_ЗИ – частота посылок зондирующих импульсов (ЧЗИ), зависит в том числе от диапазона развертки;

N_F – общее число законов фокусировки или лучей электронного сканирования, которые реализуются ПФР по данным законам фокусировки в каждом контрольном сечении ОК;

Δs – шаг механического сканирования по заданной координатной оси (разрешение по оси сканирования S).

2. Выбор N_F и Δs.

N_F определяется диапазоном и шагом электронного сканирования. Эти параметры, а также Δs должны быть указаны в документации на контроль, поскольку их оптимальные значения не всегда можно быстро и просто обосновать. Например, шаг электронного и механического сканирования должен быть достаточно малым, чтобы обеспечить такое перекрытие соседних диаграмм направленности во всей зоне контроля, при котором достигается надежное выявление дефектов на требуемой чувствительности, а также необходимое фронтальное разрешение. Но, начиная с некоторых значений, дальнейшее уменьшение шага сканирования не улучшает параметры контроля и не повышает информативность полученных результатов. Происходит только излишнее дублирование собранных данных, при этом пропорционально уменьшению шага сканирования падает V_CMax и растет объем файлов данных.

При контроле сварных швов поперечными волнами чаще используют секторное или комбинированное (линейное и секторное) электронное сканирование с диапазоном углов ввода от 35…40 до 70…75° с шагом по углу 0,5…1,0°. При контроле основного металла и композитов в режиме линейного сканирования его шаг обычно равен смещению активной группы на один элемент ПФР. Но поскольку этот параметр у большинства ПФР не превышает 1 мм, в некоторых случаях можно увеличить шаг линейного сканирования до двух элементов. Это повысит в два раза не только V_CMax, но и площадь зоны контроля, массив А-сканов для которой нужно сохранить в файле заданного размера.

К шагу механического сканирования Δs можно применить распространенное в УЗК требование, что данный параметр не должен превышать половину размера пьезоэлемента в направлении сканирования. Но в системах АУЗК и МУЗК для более надежного выявления дефектов и более точного определения их характеристик чаще применяют меньшие значения Δs 1…2 мм.

3. Настройка f_ЗИ.

Параметр f_ЗИ является не менее важным, но в документации на контроль он иногда не указывается. В результате его не настраивают, а используют то значение, которое устанавливается в дефектоскопе автоматически. Поэтому рассмотрим настройку f_ЗИ подробнее. Сделаем это на примере дефектоскопов модельного ряда OmniScan, включая OmniScan X3.

Одним из удачных решений, реализованных в этих дефектоскопах, является встроенный калькулятор скорости сканирования. После настройки всех необходимых параметров контроля на дисплее в специальном поле отображаются значения V_CMax и f_ЗИ. Примеры приведены на рис. 1 и 2. Для компактности рисунков поле с указанными параметрами показано в окне секторного S-скана.

V_CMax зависит от f_ЗИ прямо пропорционально (формула (1)), поэтому для роста V_CMax f_ЗИ нужно увеличивать. Максимальное значение f_ЗИ является одной из важных характеристик дефектоскопа, которые определяют его быстродействие. Для дефектоскопов OmniScan максимальное значение f_ЗИ составляет 20 кГц. В некоторых случаях в дефектоскопе отображается не f_ЗИ, а параметр «Скорость сбора». Он равен отношению f_ЗИ/N_F, это число циклов электронного сканирования в секунду.

Смысл настройки f_ЗИ для конкретного ОК в следующем. При контроле эхометодом зондирующий импульс (ЗИ) должен пройти от излучателя до возможного отражателя на дальней границе развертки и вернуться назад к приемнику до того, как будет излучен следующий ЗИ.

Для выполнения данного условия f_ЗИ в дефектоскопе задается автоматически. Это значение будет верным после корректной настройки скорости звука в материале ОК, акустической задержки и диапазона развертки. При этом по умолчанию в настройках генератора дефектоскопа устанавливается некоторое оптимальное значение f_ЗИ «Default», которое ниже максимального. Для получения максимальных значений f_ЗИ и, соответственно, V_CMax, необходимо выбрать в настройках значение f_ЗИ «Авто. Макс.».

Но в некоторых случаях требуется дальнейшая корректировка f_ЗИ. Это связано с возможным появлением такого вида помех, как сигналы-фантомы. Фантомы – это сигналы от предыдущих ЗИ, которые распространяются в ОК дольше, чем один цикл излучения-приема, не успевают при этом затухнуть и потому регистрируются в следующих циклах. Причины появления фантомов – различные переотражения сигналов в ОК или приход эхосигналов от отражателей, которые находятся за границами развертки.

Фантомы могут проявляться в виде роста уровня шумов или как нехарактерные для данного ОК цепочки индикаций, которые имеют вид явных артефактов. Но могут наблюдаться и индикации, схожие с дефектами по своей форме и расположению на развертке. Фантомы перемещаются по развертке при изменении f_ЗИ – именно так их можно идентифицировать. При снижении f_ЗИ до некоторого значения, которое зависит от конкретных параметров контроля, фантомы исчезают – это один из способов борьбы с помехами данного вида.

Другой способ борьбы с фантомами – включить в настройках дефектоскопа режим «Чередование». Данный режим меняет последовательность генерации лучей в процессе электронного сканирования и тем самым снижает вероятность появления фантомов. Опыт применения показал, что в некоторых случаях режим «Чередование» действительно устраняет фантомы без снижения f_ЗИ, но в других случаях его использование может не дать нужного эффекта.

Таким образом, для настройки максимальных значений f_ЗИ без сигналов-помех рекомендуется следующее.

3.1.     Настроить скорость звука в материале ОК, параметры электронного сканирования, диапазон развертки, акустическую задержку и чувствительность контроля.

3.2.     Включить значение f_ЗИ «Авто. Макс.».

3.3.     Установить ПФР на ОК или настроечный образец (НО); поскольку ситуация с фантомами для ОК и НО может отличаться, окончательную настройку f_ЗИ нужно выполнить на ОК.

3.4.     При наличии сигналов-фантомов включить режим генератора «Чередование».

3.5.     Если сигналы-фантомы останутся, не выключая режим «Чередование», снижать f_ЗИ до исчезновения указанных помех.

Пример – контроль сварного шва толщиной 12 мм поперечными волнами в режиме секторного сканирования 40…70°. Начальное значение f_ЗИ 12 кГц («Авто. Макс»), что при Δs, равном 1 мм, соответствует V_CMax 387 мм/с. Поскольку в конкретном случае на небольшом расстоянии за ПФР (т. е. не в зоне контроля) находился конструктивный отражатель, при указанных выше значениях возникли сигналы-фантомы. К таковым относятся все индикации на S-скане, показанные на рис. 1, в т. ч. расположенные в зоне сварного шва. После включения режима «Чередование» и снижения f_ЗИ до значения 9,3 кГц, что соответствует V_CMax 300 мм/с, все индикации-фантомы на S-скане исчезли – см. рис. 2.

4. Применение сканеров.

Параметр V_CMax является расчетным, поэтому для практического применения можно ввести дополнительный термин «рабочая скорость сканирования V_CР» – это действительное значение скорости, с которой выполняют механическое сканирование конкретного ОК.  V_CР не должна превышать V_CMax, иначе будут происходить пропуски данных по целым контрольным сечениям (рис. 3).

Но V_CР может быть значительно ниже V_CMax, поскольку при сканировании требуется выполнить ряд задач:

- поддерживать высокую скорость перемещения ПФР во всех зонах ОК, в т. ч. на участках с затрудненным доступом, например, в районе нижней образующей трубопровода;

- обеспечить в течение всего процесса сканирования надежный акустический контакт между ПФР и ОК;

- реализовать нужную траекторию перемещения блоков ПФР по поверхности ОК, например, соблюдать заданное расстояние между продольной осью сварного шва и передней гранью призм ПФР.

Легче всего решить данные задачи позволяют системы АУЗК, в которых автоматизированы как перемещение блоков ПФР, так и подача контактной жидкости. Такие средства позволяют достичь максимальной скорости сканирования. Единственное, по сути, условие – система АУЗК должна быть разработана или адаптирована для применения на конкретных ОК. Чаще всего системы АУЗК применяют для контроля кольцевых сварных швов трубопроводов.

Но системы АУЗК бывает сложно или вообще невозможно перенастроить на ОК разного типа. Кроме того, они имеют высокую стоимость. Поэтому в качестве более универсального варианта можно рассмотреть системы МУЗК. Особенность данного термина в том, что при МУЗК выполняется автоматический сбор данных (как при АУЗК), но ручное перемещение ПФР. Для этого в простейшем случае на ПФР с призмой нужно установить датчик пути (энкодер). Но очевидно, что такой комплект не обеспечит высокую V_CР.

Чтобы приблизить V_CР к V_CMax, нужно применять сканеры с плавающей пружинной подвеской ПФР, с системой подачи контактной жидкости и другими устройствами, которые позволяют решать задачи сканирования. Сканеры бывают двух основных типов по способу их крепления на ОК – бандажные (цепные) и на магнитных колесах (магнитные).

Пример универсального сканера на магнитных колесах – модель AxSEAM (рис. 4, [2]). Данный сканер позволяет контролировать кольцевые сварные швы наружным диаметром от 114 мм и выше, а также продольные сварные швы наружным диаметром от 152 мм и выше. Одновременно может проводиться двухсторонний контроль эхометодом и методом TOFD, что уже сокращает время контроля примерно в три раза. Если применяются призмы ПФР соответствующих моделей (подробнее о призмах см. работу [1]), то к сканеру можно подключить систему подачи контактной жидкости с ручной или электрической помпой.

Особенность данного сканера - встроенный модуль ScanDeck, который содержит кнопки управления процессом сканирования, а также индикаторы скорости сканирования и акустического контакта. Наличие данных индикаторов позволяет оператору, который перемещает сканер по ОК, оперативно устранять возникающие проблемы. Это не только повышает V_CР, но и резко сокращает время повторного сканирования, которое обязательно нужно проводить в случаях превышения V_CMax или пропадания акустического контакта.

Опыт применения показал, что с помощью сканеров МУЗК при определенных условиях можно достичь весьма высоких значений V_CР, например, 200…300 мм/с или 12…18 м/мин. Эти показатели относятся к УЗК с ПФР как сварных швов, так и основного металла и композитов. И они значительно, иногда в десятки раз превышают скорость сканирования аналогичных ОК при ручном УЗК (РУЗК) обычными преобразователями.

Отметим еще одно важное преимущество АУЗК и МУЗК по сравнению с РУЗК. Надежность контроля зависит в том числе от строгого соблюдения параметров сканирования. Для РУЗК сварных швов это, как правило, скорость и предел поперечного перемещения, а также шаг продольного сканирования. Но при РУЗК объективные средства контроля данных параметров отсутствуют. Поэтому встречаются случаи, когда РУЗК выполняют с достаточно высокой скоростью, но достигается она с грубым несоблюдением параметров сканирования. А это, в свою очередь, приводит к пропуску дефектов, включая недопустимые. В отличие от РУЗК, при АУЗК и МУЗК документируются не только результаты контроля и наличие акустического контакта, но и превышение V_CMax (контроль целостности данных), а заданный шаг электронного и механического сканирования поддерживается автоматически.

При превышении V_CMax на С-скане возникают характерные индикации в виде сплошных полос черного цвета, которые указывают на пропуск данных в соответствующих зонах контроля (рис. 3). Поскольку С-скан при сканировании отображается в реальном времени, то в такой ситуации есть возможность сразу переместить сканер назад на необходимое расстояние и провести повторное сканирование проблемного участка, но уже с допустимой скоростью и без потери данных.

5. Организация работ по контролю.

5.2  Поверхность ОК, по которой проводится сканирование, должна соответствовать установленным требованиям по шероховатости, волнистости, отсутствию различных загрязнений и ширине зоны зачистки, причем ширину зоны зачистки нужно определять с учетом размеров применяемого сканера.

5.3     На ОК должно быть обеспечено удобное и безопасное размещение персонала и средств контроля.

5.4   На ОК необходимо нанести разметку, по которой будет быстрее и удобнее выполнить сканирование. Разметка обеспечивает также более точную координатную привязку полученных результатов и отсутствие непроконтролированных участков.

5.5     Персонал должен быть аттестован и иметь достаточный опыт работы не только по УЗК и УЗК с ПФР, но и конкретно по применяемым установкам АУЗК и МУЗК.

Библиографический список

1.     Пепеляев А.В. Проблемы износа ультразвуковых преобразователей и способы их решения для фазированных решеток // Территория NDT. 2023. № 3. С. 34-38.

2.     Промышленные сканеры // Evident-Olympus. 2023.