Д.С.Тихонов

Научно-производственный центр «ЭХО +»

Россия, 123182, Москва, пл. Курчатова, д.1.

Тел.: 196-91-91; Факс 935-73-90; e-mail: dtikh@echoplus.ru

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ СИСТЕМАМИ СЕРИИ АВГУР

 

В статье приводится обобщенная последовательность действий при проведении автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений с определением размеров дефектов системами серии АВГУР. Подробно описаны основные особенности каждого из этапов контроля. Утверждается, что эффективное применение измерительного режима контроля требует дополнительных действий при проведении АУЗК, к которым относятся калибровка преобразователей, учет неровностей поверхности объекта, когерентная обработка данных, проведение детального анализа данных контроля.

 

Среди задач эксплуатационного неразрушающего контроля промышленного оборудования народного хозяйства страны всё более актуальной становится задача определения характеристик обнаруженных несплошностей. Порядок дальнейшей эксплуатации, решение задачи продления ресурса оборудования однозначно связаны со сведениями о таких параметрах несплошностей, как размер, местоположение, тип.

Наиболее перспективными методами неразрушающего контроля оборудования, обладающими такого рода информацией, являются методы визуализации данных ультразвукового контроля, среди которых наиболее точными являются когерентные вычислительные методы формирования трёхмерных изображений несплошностей. Когерентными называются методы обработки УЗ данных, учитывающие не только амплитудные значения эхо-сигналов, но и закономерности их пространственно-фазовых распределений, что позволяет существенно повысить разрешающую способность и отношение сигнал/шум изображений дефектов. Многие из этих методов реализованы в системах автоматизированного ультразвукового контроля (АУЗК) серии АВГУР [1, 2, 3]. Однако получение точных, хорошо интерпретируемых изображений при контроле реальных сварных соединений часто представляет собой весьма сложную задачу. Во-первых, такие изображения обладают рядом существенных отличий от реальных оптических образов несплошностей, во-вторых, они являются весьма зависимыми от таких факторов, как наличие теневых (неизлучающих) конфигураций дефектов [4, 5], неровностей поверхности объекта контроля, точности настройки параметров аппаратуры и т.д. На преодоление этих особенностей, пренебрежение которыми приводит к существенному снижению точности когерентных методов визуализации дефектов, ориентированы программы обработки данных контроля и множественное методическое обеспечение систем серии АВГУР.

На рис. 1 представлена типовая последовательность действий при проведении АУЗК сварных соединений системами АВГУР. Отличительными особенностями этой схемы в сравнении с методиками контроля, присущими большинству автоматизированных средств УЗК, является наличие этапа когерентной калибровки преобразователей, этапов связанных с учетом формы поверхности объекта контроля, а также содержание этапов обработки и анализа данных контроля.

РИСУНОК 1.

Существенно, что каждый этап АУЗК системами АВГУР фиксируется определенными записями в базе данных системы, содержание которых отражено на схеме во втором столбце. Третий столбец схемы демонстрирует документы, сопровождающие процесс автоматизированного контроля на каждом его этапе.

Когерентная калибровка преобразователей проводится с целью определения основных параметров преобразователей, а также параметров определяющих фокусирующие свойства преобразователя при когерентной обработке данных, полученных с его помощью в совмещенном режиме контроля. При когерентной калибровке проводится регистрация эхо-сигналов от цилиндрического отверстии Æ6 в стандартном образце СО-2 или аналогичном ему образце со скругленной поверхностью для притертых преобразователей. Зарегистрированный набор эхо-сигналов условно называется калибровочным B-сканом для данного преобразователя (CB-scan). Все необходимые для дальнейшей работы параметры преобразователя определяются по этим данным и заносятся в базу данных системы АВГУР в виде электронного паспорта.

Перед расчетом параметров полученный CB-scan обрабатывается методом пространственной фильтрации (для наклонных преобразователей) и пространственно-временной селекции (для всех ПЭП). Пространственная фильтрация проводится с целью исключения шумовых сигналов, имеющих спектр с заведомо известной областью пространственных частот (например, сигналов реверберационных шумов). Селекция выполняется для исключения сигналов обегания и других посторонних сигналов, не связанных с непосредственным отражением от эталонного отверстия.

Из обработанного CB-scan рассчитываются: импульсная характеристика, спектральная характеристика, диаграмма направленности, реверберационно-шумовая характеристика (РШХ), вид излучаемого поля калибруемого преобразователя. По рассчитанным характеристикам определяются длительность импульса, центральная частота, полоса частот, эхо-импульсная чувствительность, угол ввода, параметры фокусировки преобразователя. На основе этих параметров проводится расчет кривых АРД и, впоследствии, их совместный вывод на экран с РШХ.

Импульсная характеристика определяется по максимальному сигналу обработанного CB-scan. Спектральная характеристика рассчитывается методом дискретного преобразования Фурье импульсной характеристики. Длительность импульса, полоса частот, центральная частота (tи, fL, fU, f0) определяются в соответствии с [6]. Также в соответствии с [6] определяется относительная полоса частот (Dfrel в %). Полученный при калибровке максимальный уровень эхо-сигнала считается в дальнейшем опорным при настройке чувствительности контроля.

Диаграмма направленности рассчитывается из нескольких одночастотных голограмм h(x, fi) ‑ пространственных спектров СВ-scan в диапазоне частот Df = fU - fL. Затем рассчитываются пространственные спектры голограмм ‑ H(kx, fi), где kx = (2pfi/C)sin(a), C - скорость звука, a - угол ввода соответствующей плоской волны. Затем формируется функция D(kx) = åi (H(kx, fi)). После чего D(kx) переводится в угловую зависимость D(a) и в таком виде представляется в виде импульсной диаграммы направленности преобразователя, по которой определяются угол ввода и ширина её основного лепестка.

С использованием полученных параметров преобразователя производится восстановление нескольких изображений эталонного отверстия с различными параметрами его фокусировки. По изображению, имеющему оптимальную фокусировку, определяется местоположение условного фокуса преобразователя ‑ некой области, которая «программно» принимается за область расхождения лучей преобразователя. Координаты этой точки в системе координат преобразователя однозначно связаны с такими его параметрами как стрела и время задержки распространения ультразвука в призме. Установление точек условного фокуса для всех, используемых при контроле преобразователей, позволяет получать сфокусированные изображения дефектов в единой системе координат, что обеспечивает точное объединение изображений, полученных при различных направлениях прозвучивания.

На рис. 2 приведен вид паспорта преобразователя, сохраняемый в базе данных системы АВГУР 5.2.

РИСУНОК 2.

Этап настройки параметров системы и проверки правильности этих настроек на стандартном образце предприятия (СОП) присущ всем видам ультразвукового контроля. Для проверки точности полученных изображений отражателей в СОП в системах АВГУР используются маски ‑ схематические изображения профиля сварного шва или других объектов (отверстий, пропилов и пр.), отображаемые на экране вместе с B-изображениями, полученными системой АВГУР. Назначение масок – облегчить оператору привязку деталей изображения к объекту контроля. На рис. 3 приведено когерентное изображение отверстия Æ6 в стандартном образце СО-2, полученное с помощью одного наклонного преобразователя (60°, 2,5 МГц) и маски этого отверстия.

РИСУНОК 3.

Проведение контроля на объекте обычно связано с операциями доставки системы на объект контроля, развертывания системы, установки сканера, проведение контроля (запись данных) с отслеживанием качества данных. Контроль системами АВГУР с последующим определением размеров дефектов проводится в двух режимах – поисковом и измерительном [7]. В поисковом режиме обеспечивается производительный поиск областей вероятной локализации дефектов, а в измерительном – сканирование этих областей с малым шагом перемещения преобразователей, обеспечивающее возможность последующей обработки полученных данных когерентными методами. Для выявления опасных дефектов, отражающих эхосигналы ниже контрольного уровня, контроль в поисковом режиме проводится на повышенной чувствительности. Определение степени опасности дефектов (их типа и размера) производится по результатам измерительного контроля.

На рис. 4 приведено D-изображение (развертка вдоль оси шва), полученное в поисковом режиме контроля аустенитного сварного соединения, содержащее эхосигналы от трещин, расположенных в околошовной зоне.

На рис. 5 приведены изображения плоскостных дефектов в корне сварных соединений.

РИСУНКИ 4, 5.

Чаще всего измерительный режим АУЗК используется при контроле объектов находящихся в эксплуатации или при отладке технологических процессов, когда вопрос точного знания типа и размеров несплошностей актуален. При изготовлении или при проведении монтажных работ важнее иметь оперативную информацию об обнаруженных отклонениях, поэтому чаще всего достаточно результатов поискового режима АУЗК, когда о наличии или отсутствии дефектов можно судить сразу после проведения контроля.

Если в области сканирования преобразователей при проведении АУЗК в измерительном режиме в плоскости когерентного сканирования имеются существенные неровности поверхности (отклонения от прямолинейной формы), то даже при сохранении нормальных условий контакта, когерентная обработка приводит к большим ошибкам в изображениях. Такие неровности часто образуются после грубой и многократной зачистки поверхности сканирования, а также могут быть образованы и после применения технологии обжатия трубопроводов, использующейся для снятия внутренних избыточных напряжений сварных соединений. На рис. 6 приведены изображения отверстия Æ6 стандартного образца СО-2 для ровной поверхности и для выпуклой в области сканирования поверхности различной высоты. Величина DZ обозначает максимальную стрелу выпуклости поверхности относительно исходной прямой линии. Максимальные значения высоты гладкой выпуклости - 1,28 мм и 2,56 мм соответствуют высоте в одну и две длины сдвиговой волны на частоте 2,5 МГц. Как видно на рисунке, искажения при неровностях высотой более одной длины волны уже неприемлемы для определения геометрических характеристик отражателя.

Для устранения погрешности когерентных изображений, связанных с неровностями поверхности регистрации данных применяются алгоритмы, использующие параксиальное приближение ‑ только в этом случае можно пренебречь априорно неизвестными значениями координат самих отражателей. Эти алгоритмы выполняют коррекцию фазы измеренного поля или пространственного спектра голограмм, приводя их тем самым к случаю регистрации на плоской поверхности, когда можно использовать существующий алгоритм восстановления изображений [8]. Аналогичный подход используется в гибких фазированных антенных решетках с измерением неровностей поверхности [9].

Для выполнения точной корректировки данных зарегистрированных на «плохих» поверхностях» при проведении АУЗК предусмотрен этап измерения неровностей поверхности, а в системах  АВГУР специальный режим корректировки данных. На рис. 7 приведены изображения отверстия Æ2, полученные наклонным совмещенным преобразователем на плоской поверхности, на вогнутой поверхности с прогибом 1,3 мм, и изображение, восстановленное после корректировки данных полученных на вогнутой поверхности.

РИСУНКИ 6, 7.

Все данные, полученные в измерительном режиме, обрабатываются с использованием когерентных методов. Результатом такой обработки являются изображения отражателей представленные в системе координат объекта контроля. Основным алгоритмом обработки является алгоритм проекции в спектральном пространстве [10] (он же – SAFT в Фурье-области – FT SAFT), а также модификация этого алгоритма для трансформированных на дефекте волн [11]. Для получения дополнительной информации об отражателях используются также алгоритмы различных видов фильтрации, некогерентная визуализация исходных А-сканов, алгоритмы сверхразрешения, зеркальное отражение изображений, различные виды объединения изображений.

Для удостоверения факта проведения контроля, фиксации отклонений от типовой формы реального объекта контроля и отражения другой дополнительной информации, важной для последующего анализа данных, рекомендуется составлять акт о проведении АУЗК. Особенно важно составление такого акта, когда анализ полученных при контроле данных АУЗК и формирование результирующего заключения выполняется специалистами, не участвовавшими в контроле.

Основными задачами этапа анализа данных АУЗК являются –

§  Идентификация несплошностей: фиксация несплошности и определение её типа.

§  Определение координат и размера несплошностей.

§  Заключение о реальном характере несплошностей.

Все данные АУЗК - включая данные поискового режима контроля, исходные данные и обработанные данные (изображения) измерительного режима  ‑ для каждой из областей вероятной локализации дефектов подвергается анализу на предмет выявления информационных признаков данных, по которым принимается решение о наличии несплошности и типе несплошности. При анализе трехмерных изображений основными объектами являются контура локализации несплошности (или пятна на B-, C-, D-срезах), построенные путем оконтуривания локальных максимумов изображений, превышающих уровень шумового изображения. На рис. 8 приведена схема формирования контура локализации несплошности (на правой части рисунка приведен слой изображения на глубине Z0). При выделении таких контуров необходимо учитывать возможное влияние различных искажающих факторов: нарушения контакта, нелинейные искажения сигнала при регистрации данных (зашкаливание), препятствия равномерному сканированию, шумы, возникающие при обработке данных.

РИСУНОК 8.

На одном изображении и для одного дефекта могут фиксироваться несколько контуров локализации несплошности. Их размер и взаимное расположение определяют состояние информационных признаков данных. Вот некоторые из них:

§  контур несплошности не более элемента разрешающей способности изображения (обычно точечные дефекты);

§  превышение определенного амплитудного контрольного уровня (для фиксации зеркального типа отражения);

§  неизменность координат несплошности от слоя к слою (обычно вдоль шва), в т.ч. нитевидное изображение (характерно для конструктивных отражателей, межваликовых протяженных непроваров и т.п.);

§  многоэлементное изображение (коррозионные дефекты, трещины различного типа и т.д.);

§  цепь, группа (скопление пор, повышение уровня структурного шума и т.д.).

По выделенным контурам локализации несплошности определяются размеры дефектов. По данным привязки сканера к объекту контроля фиксируется его местоположение, например, для сварного соединения - в корне, в теле шва, по границе сплавления, в околошовной зоне.

По сочетанию выявленных информационных признаков, используя данные о размерах и местоположении несплошности, делается заключение о реальном характере дефекта.

Когерентная обработка, визуализация данных АУЗК, зарегистрированных в широком динамическом диапазоне для некоторых объектов контроля позволили выявить целый ряд дополнительных информационных признаков. Один из них - эффект экранировки, когда изображение предполагаемой несплошности экранирует сигналы структурных шумов или сигналы каких-либо отражателей, расположенных за несплошностью по ходу распространения УЗ волн. На рис. 9 приведены данные поискового режима контроля с эффектом экранировки структурных шумов трещинами, расположенными в околошовной зоне аустенитного сварного соединения. Эффект хорошо проявляется при повышении контрастности изображения, когда увеличивается заполнение шумовыми сигналами.

РИСУНОК 9.

Другой эффект ‑ образование многократных отражений трансформированных волн, возникающий на неровностях корня шва или на конусных проточках сварных соединений. Эти волны, хорошо идентифицируемые при автоматизированном УЗК, при ручном контроле воспринимаются как сигналы из сечения шва. Многократные переотражения трансформированной волны в толще трубы приводят к образованию цепочки постепенно затухающих сигналов. На рис. 9 сверху приведены D-изображения, полученные в поисковом режиме контроля. Как видно на этом рисунке – на одном участке шва конусная проточка начала порождать эхо-сигналы образованные трансформированными волнами. Видно, что эти сигналы имеют большую амплитуду и попадают в зону контроля. Этот участок шва при ручном контроле был забракован. Внизу на рис. 10 приведено изображение, полученное в измерительном режиме в области существования этих сигналов – трансформированные волны образуют хорошо идентифицируемую цепочку пятен, расположенных вне области контроля сварного соединения.

РИСУНОК 10.

При анализе данных обзорного режима АУЗК, проведенного по всему периметру сварного соединения, хорошо заметен эффект перехода сигнала уголкового отражения с одной стороны шва на другую. При одинаковых толщинах стыкуемых труб, такой эффект позволяет сделать точный вывод о несоосности стыковки.

В дополнение к возможности идентифицировать смещение нижних кромок, можно добавить возможность определения величины смещения. В некоторых случаях определение высоты смещения кромок возможно даже по измерениям с одной стороны от шва. Проводя автоматизированный контроль на повышенной чувствительности можно легко заметить сигналы, отраженные от внутренней поверхности трубы. Эти сигналы особенно заметны при контроле преобразователями сдвиговых волн с углом ввода УЗ волн 45°. После обработки методами визуализации эти сигналы точно повторяют профиль внутренней поверхности трубы на изображении. При определенных условиях можно наблюдать перепад уровней внутренней поверхности трубы соответствующий смещению нижних кромок. Измерение высоты этого перепада может быть выполнено с точностью не хуже 1 мм.

Более чем десятилетний опыт практического применения систем АВГУР на различных объектах контроля дает множество и других признаков, совокупное использование которых существенно повышает достоверность результатов контроля.

Основные результаты анализа данных, включающие в себя важнейшие информационные признаки изображений, заносятся в журнал анализа данных. По результатам анализа данных формируется заключение АУЗК, содержащее данные о характеристиках дефектов. В некоторых случаях заключения АУЗК сопровождаются распечатками изображений.

Приведенный здесь активно используемый в настоящее время порядок проведения АУЗК подразумевает довольно большое участие квалифицированного оператора, что подчас является основным источником ошибок при контроле. Однако уровень формализации процесса анализа данных позволяет уже сейчас использовать алгоритмы, берущие на себя большую часть рутинной работы оператора - поиск дефектов в большом объеме данных, обнаружение конструктивных отражателей, оконтуривание, автоматическое образмеривание, генерация заключений контроля. Это, в свою очередь, позволяет «безболезненно» применять всё большее количество схем прозвучивания при контроле одного объекта, увеличивая с объемом данных информативность УЗ контроля.

Еще один путь совершенствования методического обеспечения АУЗК ‑ это стандартизация и автоматизация процесса документирования АУЗК. Первый шаг в этом направлении сделан, ‑ как видно из рис. 1, записи в базе данных системы АВГУР во многом соответствуют отчетной и технологической документации контроля.

 

Литература

1.         Бадалян В.Г., Базулин Е.Г, Бычков И.В., Вопилкин А.Х., Каплун С.М., Ломакин А.В., Пентюк М.В., Рубен Е.А., Тихонов Д.С., Штерн А.М. Компьютерная система ультразвукового контроля с когерентной обработкой данных "Авгур 2.1".- Дефектоскопия, 1993, № 7, с. 3-15.

2.         Бадалян В.Г., Вопилкин А.Х. Компьютерные системы для ультразвукового неразрушающего контроля. // Дефектоскопия, 1993, № 5, с.7 – 13.

3.         Д.С.Тихонов, А.М. Штерн, С.В. Ромашкин, Ю.Л.Гордеев, Е.А.Рубен «Пятое поколение систем автоматизированного ультразвукового контроля Авгур», тезисы докладов XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика», Екатеринбург, 5 – 11 сентября 2005 г.

4.         Базулин Е.Г., Тихонов Д.С. "Экспертная оценка типа и размеров дефекта с помощью когерентного ультразвукового дефектоскопа". Дефектоскопия, 1995, № 5, с. 13 - 19.

5.         Буров В.А., Горюнов А.А., Сасковец А.В., Тихонова Т.А Обратные задачи рассеяния в акустике (обзор). // Акустический журнал, 1986, т. 32, вып. 4, с. 433—449.

6.         EN 12668-2, Non-destructive testing ‑ Characterization and verification of ultrasonic examination equipment - Part 2: Probes.

7.         В.Г. Бадалян, А.Х. Вопилкин, Тихонов Д.С. Новый подход к ультразвуковому автоматизированному неразрушающему контролю ответственных сварных соединений. Контроль и диагностика. 1999, № 10, стр. 23-31.

8.         Бадалян В.Г., Базулин Е.Г., Тихонов Д.С. Влияние поверхности объекта на восстановленное изображение при иммерсионном контроле в акустической голографии - Дефектоскопия, 1989, № 11, с. 51-60.

9.         O. Cosula, C. Poidevin, G. Cattiaux, G. Fleury, A flexible phased array transducer for contact examination of components with complex geometry. 16th World Conference on NDT, Montreal, 2004.

10.     Бадалян В.Г., Базулин Е.Г. Цифровое восстановление изображения рассеивателей методом проекции в спектральном пространстве // Акустический журнал, 1988, т. 34, вып. 2, с. 222 – 231.

11.     Бадалян В.Г., Базулин Е.Г., Вопилкин А.Х., Тихонов Д.С. Использование трансформированных волн для получения изображений вертикальных трещин по многочастотным цифровым акустическим голограммам. - Дефектоскопия, 1993, № 6, с. 3-9.

 


 

 

а)                                                                                                 б)

в)

Рис. 2. Паспорт наклонного преобразователя: а) импульсная, спектральные характеристики преобразователя и диаграмма (импульсная) направленности; б) АРД - диаграммы преобразователя; в) числовые параметры преобразователя и калибровочного образца.


 

Рис. 3. Изображение отверстия СО-2, полученное наклонным преобразователем при прозвучивании с одного направления. Слева и справа - одно и тоже изображение в разном масштабе. Линиями обозначены контуры образца и бокового отверстия.

 


 

Скругленная прямоугольная выноска: Сигналы от трещинСкругленная прямоугольная выноска: Структурный шум наплавленного металла шва

Рис. 4. D-изображение, полученное в поисковом режиме контроля аустенитного сварного соединения с двумя продольными трещинами.

 

 

 


 

Скругленная прямоугольная выноска: Зеркальные изображения дефекта (восстановлен-ные по сигналам отра-женным от донной по-верхности)Скругленная прямоугольная выноска: D -видСкругленная прямоугольная выноска: С -видСкругленная прямоугольная выноска: B -вид

Рис. 5. Три сечения (вида) трехмерного изображения двух плоскостных дефектов, расположенных  в корне сварных соединений. Хорошо видны блики от трещины из корня шва и зеркальные блики, отраженные от верхней части трещины (в нижней части B-вида). Линиями обозначены контуры разделки сварного соединения.


 

Рис. 6. Искажающее влияние неровностей поверхности

Рис. 7. Изображения отверстия бокового сверления: а) для измерений с плоской поверхности; б) для измерений с поверхности с прогибом; в) после коррекции. Максимальная величина прогиба составляла 1,3 мм.

 


 

 

 

Рис. 8. Построение контура локализации несплошности.

 


 

Скругленная прямоугольная выноска: Сигналы от трещин

 

Рис. 9. Эффект экранировки структурных шумов в аустенитных сварных соединениях – видна полоса с пониженным уровнем шумовых сигналов из шва, расположенная ниже сигналов от трещин.

 

 

 

 


 


Блок-схема: альтернативный процесс: Трансформирован-ные и переотра-женные волны

 

Рис. 10. Результаты поискового и измерительного режимов контроля при наличии трансформированных сигналов образующихся на конусной проточке сварного соединения