Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика объекта исследования 10
1.1. Основные методы и средства контроля толстостенных сварных соединений и требования к объектам контроля 10
1.2. Оценка погрешности обнаружения и допустимости дефектов при проведении УЗК и его метрологическое обеспечение 19
1.3. Специфика эксплуатации средств УЗК с фазированными антенными решетками 26
1.4. Результаты и выводы к Главе 1 29
Глава 2. Совершенствование метрологического обеспечения ультразвуковых дефектоскопов на фазированных антенных решетках 31
2.1. Ультразвуковой контроль как система допускового контроля 32
2.2. Особенности метрологической оценки результатов ультразвукового контроля 41
2.3. Взаимосвязь модельных представлений объекта контроля и интерпретация результатов ультразвукового контроля 48
2.4. Точность оценки расчета АРД-диаграмм средствами УЗК ФАР 57
2.5. Точность оценки уловной протяженности и условной ширины отражателя при калибровке средств УЗК 62
2.6. Результаты и выводы к Главе 2 67
Глава 3. Проведение экспериментальной оценки достоверности УЗК с фазированными антенными решетками 69
3.1.Методы и средства проведения экспериментальных исследований 69
3.2. Оценка точности АРД-диаграмм на основе экспериментальных и теоретических данных 74
3.3. Точностной анализ полученных экспериментальных данных и результатов расчета условной протяженности 90
3.4. Точностной анализ полученных экспериментальных данных и результатов расчета условной ширины 95
3.5. Результаты и выводы к Главе 3 101
Глава 4. Практическое внедрение результатов исследований 103
4.1. Разработка и аттестация СОП как элементов метрологического обеспечения при мониторинге сварных соединений ГЦТ 103
4.2. Результаты внедрения метрологического обеспечения средств УЗК в диагностику сварных соединений ГЦТ 113
4.3. Результаты и выводы к Главе 4 120
Общие выводы 122
Список литературы
- Оценка погрешности обнаружения и допустимости дефектов при проведении УЗК и его метрологическое обеспечение
- Особенности метрологической оценки результатов ультразвукового контроля
- Оценка точности АРД-диаграмм на основе экспериментальных и теоретических данных
- Результаты внедрения метрологического обеспечения средств УЗК в диагностику сварных соединений ГЦТ
Оценка погрешности обнаружения и допустимости дефектов при проведении УЗК и его метрологическое обеспечение
Согласно [15, 20] предлагается для уменьшения числа дефектов в изделиях увеличивать число повторных контролей. Но уже при 5-6 повторах контроля, проводимого разными дефектоскопистами, число вновь обнаруживаемых дефектов стремится к нулю. И при этом любое увеличение числа повторных контролей, пропорционально увеличивает эксплуатационные расходы. Поэтому на практике выбирают метод НК, дающий наилучшую вероятность обнаружения несплошности в заданных условиях, а также больше внимание уделяют повышению квалификации персонала – дефектоскопистов.
Большинство традиционных методов НК не предусматривают выполнение измерений параметров дефектов. Зачастую ограничиваясь лишь визуальными характеристиками (капиллярный, магнитный контроль). Одним из примеров измерения размера дефекта является радиографический метод контроля, который согласно нормативным документам [64, 70, 77, 78] применяется в качестве основного физического метода контроля качества сварных соединений и основного металла. В тоже время, ультразвуковой контроль является дополнительным или дублирующим методом. В основном это связано с возможностью радиографического контроля (РК) в регистрации результатов на физических носителях (рентгенопленка, запоминающие многоразовые «фосфорные» пластины, матрицы), а также возможность архивирования и хранения радиографических изображений в цифровом виде.
Для некоторых конкретных объектов разрешается выполнять ультразвуковой контроль в объеме 100% изделия (сварного соединения), но для уточнения результатов, с обязательным дублированием радиографией, обычно в объеме 5-20% [70, 77, 78].
Для объектов атомной отрасли [64], если для изделия возможно применение ультразвукового контроля, то радиографический контроль выступает как равноценный метод (замена в том же объеме – 1/1). Использование радиографического контроля постепенно снижается по следующим причинам: невозможность распознавания ряда дефектов, особенно планарных, невозможность определения высоты дефекта и глубины его залегания, плохая выявляемость трещин и трещиноподобных дефектов, обусловленные физическими основами метода, зависимость от человеческого фактора при выполнении контроля и обработке пленок, субъективность при расшифровке результатов и выбраковке и прочее.
Эти причины обеспечили возможным быстрый рост систем автоматизированного ультразвукового контроля (АУЗК), который приводит к существенному снижению аварийности и повышению эксплуатационной надежности оборудования в сравнении с радиографическим контролем и ручным УЗК.
На примере ультразвукового контроля сварных соединений реакторного отделения АЭС, можно выявить следующие недостатки ручного контроля: большие дозовые нагрузки на персонал, низкая производительность, отсутствие документирования результатов контроля.
Однако полностью вытеснить ручной контроль не представляется возможным, так как имеются места с малой доступностью, небольшой зоной контроля, где применение АУЗК нецелесообразно.
На сегодняшний день, чем выше повторяемость процесса изготовления сварных соединений, тем достовернее и надежнее результаты работы системы автоматизированного контроля. Поэтому наилучших результатов АУЗК удаётся достичь при работе в комплексе с системами автоматической сварки.
Для автоматизации процесса ультразвукового контроля применяется механизм сканирования с прикрепленной акустической системой. Наибольшее распространение в мире получили системы, использующие продольное сканирование, которое проще и надежнее, чем системы с возвартно-поступательным сканированием. Одни из таких систем за рубежом: «RotoScan», OrbiScan, Sonomatic, «WeldROVER», «CHAINTM», «ARGOVISION»; и отечественные: «Авгур», «УСД-60-8К», «СКАНЕР», «A2051 ScaUT». Данные системы оснащаются одноэлементными пьезоэлектрическими датчиками, либо многоэлементными датчиками (монолитный корпус с несколькими пьезоэлементами, расположенными под разными углами). Однако в последнее время автоматизированные комплексы стали оснащать системами с фазированными антенными решетками (ФАР), Time Of Flight Diffraction (TOFD), что значительно повысило достоверность проводимого контроля.
Актуальность работы связана с все возрастающим количеством блоков АЭС использующих тип реактора ВВЭР-1000 (Таблица 2). В Таблице помимо расположения, количества и времени пуска блока, также представлен проект реакторной установки (РУ), по которому осуществлялось строительство блока.
Особенности метрологической оценки результатов ультразвукового контроля
«Восстановленная» Х с помощью обратных преобразований ВN1,ВN\,...,В 1 всегда неоднозначна, так как исходные данные у для обратного преобразования всегда отличаются от у (иногда очень существенно, даже при Ау - 0) и кроме того при иерархии обратных преобразований появляется ещё одна суммарная неисключённая погрешность (АЕ + Ау)-1.
Поэтому достоверность интерпретации X, то есть степень влияния явной и/ или скрытой неэквивалентности будет зависеть от моделей, связей и величины (соотношения) параметров Az,Ay,(Az + Ау)-1.
Значимое повышение достоверности за счет уменьшения Ау возможно тогда, когда Ау больше некоторого значения функции (АЕ,АЕ1), оценивающей неопределенность восстановления X. Таким образом, целесообразно минимизировать не только и не столько погрешность измерения, а формировать интерпретационную модель, которая основана на учете взаимосвязей между различными компонентами полученных значений комплекса оцениваемых параметров.
Недоучет процедур интерпретации, а учет только точности отдельных значений параметров может приводить к существенным искажениям и потере информации, заложенной в измерительных сигналах.
Формирование интерпретационной модели представляет собой обратную задачу преобразования получаемой информации. Существующие теоретические методы не позволяют с требуемой для практики точностью получить общие решения таких задач, что приводит к существенному субъективизму при интерпретации результатов. И, как следствие, большим субъективным погрешностям. Поэтому на данном этапе развития УЗК целесообразно получить оценки потенциальной точности алгоритмов, используемых в настоящее время для интерпретации получаемых, в частности расчетных соотношений АРД-диаграмм и условных характеристик отражателей.
Учитывая, что в последнее время на основе использования современной вычислительной техники качественно возросли возможности использования на практике сложных математических моделей, отражающих свойство объекта контроля, окружающей среды и контрольно-измерительного прибора с учетом их взаимодействия [1, 2, 31-37], предложено для улучшения надежности интерпретации результатов УЗК применять методы редукции измерений. Эти методы позволяют в процессе обработки результатов УЗК изменять и дополнять модели принятия решений, основываясь на фактах и предположениях, связанных с предыдущим опытом и промежуточными результатами анализа, в том числе с привлечением дополнительных контрольно-измерительных операций на тест-образцах, стандартных образцах и прочее. Сигнал на выходе контрольно-измерительного прибора с линейной функцией преобразования имеет вид: F=Af+S, (2.5) который затем математически обрабатывается в соответствие с алгоритмом W. В большинстве случаев, согласно методу редукции измерений [67, 68, 85, 86], это уравнение может быть сведено к следующей аналитической модели: WF=If+ (WA-I)f+ WS, (2.6) где: f - входной сигнал; А - функция преобразования входного сигнала реального контрольно-измерительного прибора; I - функция преобразования «идеального» контрольно-измерительного прибора; S - случайные помехи, обусловленные конкретными условиями проведения контроля. Таким образом, информация, необходимая для формирования выводов и решений об обнаружении дефектов, содержащаяся в левой части уравнения (WF), включает совокупности истинного (If), ложного ((WA-I)f) и шумового (WS) сигналов. Учитывая, что последнее слагаемое обычно независимо от первых двух, его можно оценить экспериментально и ввести в результат контроля соответствующую поправку. В этом случае используя стандартные образцы, то есть зная характеристики «известных» сигналов fi и алгоритмов обработки Wj, можно определить зависимость «относительной величины» ложного сигнала (WA-I)=(Wj;fi), при заданных ограничениях на «обработанные» неучтенные помехи WS.
На практике [53], при известном алгоритме W (оценка на основании характеристики принятого сигнала) достаточно иметь три пространственно смещенных относительно друг друга сигналов: первые два f1, f2, получаемые от контрольных дефектов, а третий f3, получаемый путем прозвучивания контролируемого материала и служащего для оценивания шумов в металле. Наиболее простое практическое формирования этих сигналов реализуется при использовании приборов ультразвукового контроля с пьезоэлектрическими фазированными решетками. Благодаря чему, при импульсном акустическом зондировании возможно использование «единственного» излучателя и несколько разнесенных приемников. Такое зондирование позволит перестраивать область принятия решений по информации, получаемой различными приемниками, в том числе и приемником, настроенным для оценки акустических характеристик материала.
При экспериментально-алгоритмической оценке ложных сигналов (WA-I)f возможен учет низкоамплитудных высокочастотных колебаний параметров обрабатываемых полезных сигналов, которые связаны не только с обнаружением, но и с распознаванием дефектов. В частности, ложный сигнал коррелирует с соотношением кривизны волнового фронта падающей волны и формой поверхности отражателя. Поэтому, например, при минимальной кривизне фронта отраженной волны в месте расположения приемного преобразователя ложный сигнал стремится к своему минимальному значению, а мгновенная частота эхо-сигнала близка к резонансной частоте преобразователя, то есть при изменении координаты, характеризующей положение ультразвукового преобразователя относительно отражателя, значения параметров ложного сигнала также изменятся. Таким образом, они смогут служить информационным параметром для распознавания вида и характера дефекта, расположенного в упругой среде. Именно учет таких особенностей в условиях неопределенности принятия решения может на практике привести к выявлению существенных ошибок и резко повысить прогнозирующую способность полученных результатов.
Применение методов редукции измерений при УЗК с использованием пьезоэлектрических фазированных решеток позволяет путем подбора соответствующих алгоритмов обработки результатов и сигналов от образцов оптимизировать для конкретных условий соотношение между интенсивностью ложных сигналов и мощностью неучтенных помех, а также для данного алгоритма обработки оценивать рациональность используемого стандартного образца.
Оценка точности АРД-диаграмм на основе экспериментальных и теоретических данных
Размер пьезоэлемента для датчика на фазированной решетке: 12мм0,7 мм - на частоте 2,25 МГц и 1 0мм 0,55 мм - на частоте 5МГц. Соответственно апертура ФАР для датчика с частотой 2,25МГц: 2а=24мм, а для 5,0МГц: 2а=20мм. Диаметры плоскодонных отверстий (d=2, 3, 4мм) были выбраны в диапазоне, который используется при оценке качества сварных соединений в России, и были меньше апертуры фазированных решеток 2а: d«2a.
При расчёте для получения правильных результатов требуется знание точных значений коэффициента затухания ультразвуковых колебаний. Измерение коэффициентов затухания проводилось на тех же образцах с плоскодонными отверстиями (Таблица 13).
Экспериментальные данные получены в четырех повторностях для каждой глубины залегания плоскодонного отверстия, так как при однократных измерениях обнаружить промах не представляется возможным.
Согласно МИ 2091-90, точным измерениям присущи отсутствие промахов, малость систематических и случайных погрешностей, однако при УЗК промахи играют определяющую роль в получении достоверных результатов, их исключение не представляется возможным, вследствие сильного влияния субъективного фактора и неточности математической модели. Благодаря полученным формулам расчета акустического тракта в ближней и переходной зоне (2.11, 2.12), стало возможным провести теоретический расчет в данной зоне погрешности измерений с учетом коэффициентов влияния.
В качестве примера, на Рисунке 3.6 представлена погрешность с учетом коэффициентов влияния при измерении амплитуды эхо-сигнала от плоскодонного отверстия в дальней и ближней/ переходной зонах для угла ввода ультразвукового луча 50 в общем и скорректированном виде. Погрешность с учетом коэффициентов влияния для плоскодонного отверстия: а) общий и б) скорректированный вид В переходной области (заштрихованный участок) присутствует несовпадение значений погрешности в дальней и ближней зонах для общего вида, это связано с разной моделью описания акустического тракта в этих зонах, а соответственно, и влиянием на результат погрешности. Однако для скорректированного вида, разница между зонами минимальная, что подчеркивает правильность принятых расчетов.
В тоже время погрешность косвенных измерений слабо зависит от диаметра отражателя, поэтому отдельно разобран график только для плоскодонного отверстия 4. Для ближней/переходной зоны погрешность получаемых данных, в зависимости от глубины залегания отражателя, имеют близкие значения, так как допущено теоретически монотонное распространение УЗ луча. Данное допущение сделано вследствие крайне неоднородного поля из-за возникновения экстремумов, так как вблизи пьезоэлемента ультразвуковые волны приходят в разное время и с разными фазами. На Рисунке 3.7 представлен расчет акустического тракта и погрешность ультразвуковых измерений на основании погрешности составляющих величин, полученных прямыми измерениями с учетом коэффициентов влияния в ближней/переходной и дальней зоне для разных диаметров отражателей в виде плоскодонных отверстий (2, 3, 4 мм), а также погрешности косвенных измерений, полученных при прямых измерениях с учетом коэффициентов влияния.
Для преобразователей с углом ввода 40 и 70 график расчетной амплитуды эхо-сигнала от плоскодонного отверстия и график погрешности с учетом коэффициентов влияния представлен в приложении А.
На Рисунке 3.8 представлены графики расчетной (теор) и экспериментальной (практ) условной протяженности (L) и условной ширины (X) плоскодонных отверстий с допуском получаемых значений (PL, PX) (угол ввода 50). Результаты экспериментальных исследований, с достаточной для практики точностью, совпадают с теоретической областью расположения возможных значений. Теоретическая область значений получена на основании погрешности составляющих величин, прямыми измерениями с учетом коэффициентов влияния в дальней зоне. Расчет допуска при измерении условных параметров приведен в приложении Б.
Ближняя зона (зона Френеля) имеет немонотонное распространение ультразвуковой энергии, поэтому расчет условных размеров отражателей связан с параметрами излучателя (активной апертуры датчика) и определяется согласно приведенным формулам (2.15-2.19), (2.30-2.34) по результатам экспериментов.
На Рисунке 3.9 изображена зависимость погрешности получаемых результатов с учетом коэффициентов влияния при измерении условной протяженности и условной ширины плоскодонного отражателя. 1,50
Наибольший вес в погрешность получаемых экспериментальных данных при измерении условных параметров оказывает точность определения углов между осью плоскодонного отверстия и боковыми лучами ПЭП ФАР (l, x).
Для преобразователей с углом ввода 40 и 70 графики расчетной (теор) и экспериментальной (практ) условной протяженности и условной ширины плоскодонных отверстий с допуском получаемых значений (PL, PX) представлены в приложении Б.
На Рисунке 3.10 представлена погрешность определения амплитуды эхо-сигнала при перемещении ПЭП относительно отражателя при измерении условной ширины и условной протяженности (Px и Pl соответственно) в зависимости от изменения диаметра отражателя с учетом коэффициентов влияния для угла ввода УЗ луча 50. Расчет погрешности (2.4) представлен в приложении В.
Для преобразователей с углом ввода 40 и 70 расчет и графики погрешности Px и Pl также представлены в приложении В. Диаметр отражателя, мм Видно, что в дальней зоне экспериментальные точки для несфокусированного луча (считается, что луч, фокусированный на глубину Hфок=300мм, является несфокусированным) и для луча сфокусированного на глубину Н согласуются с расчётными кривыми для луча без фокусировки. Максимальное отклонение экспериментальных точек от расчётных значений составляет 2дБ.
Вблизи границы ближней зоны (HNF=10мм) для луча, сфокусированного на глубину H, наблюдается повышение амплитуды сигнала (до 3 дБ) по сравнению с несфокусированным лучом.
Результаты внедрения метрологического обеспечения средств УЗК в диагностику сварных соединений ГЦТ
Разработка стандартных образцов предприятия с плоскодонными отверстиями выполнялась с целью исследования акустического тракта преобразователей, а также для аттестации образцов как средств метрологической калибровки измерительной ультразвуковой системы. Сертификат о калибровке образца изначально содержит информацию о результатах измерения тех или иных параметров. В данном случае речь идет о: глубине залегания отверстий (H), диаметре плоскодонных отверстий (d), для которых приведены номинальные и действительные значения с полем допуска, а также максимальные допускаемые отклонения. Помимо всего прочего указываются допускаемые отклонения скорости распространения ультразвуковой продольной и поперечной волны. Однако данные параметры лишены взаимосвязи с откликом ультразвуковой волны от отражателя и совместный учет коэффициентов влияния на поведение УЗ волны в образце.
В практике ультразвукового контроля, помимо использования контрольно-измерительного оборудования (микроскопа инструментального, индикатора, линейки, штангенциркуля), необходимо получение акустического образа отражателей. Акустический образ должен включать параметры максимальной амплитуды эхо-сигнала от отражателя Аmax, условные размеры отражателя (условная протяженность L, условная ширина X и другое) с занесением этих данных в свидетельство на образец с допуском влияющих величин. Паспортизованный акустический образ отражателей, как следует из проведенных исследований, позволяет при настройке учитывать дополнительные характеристики преобразователей и условия их калибровки, а 104 также улучшить сходимость и воспроизводимость результатов калибровки, особенно при настройке автоматизированного оборудования.
Свидетельства были разработаны для стандартных образцов предприятия, на которых проводились исследования, с углом призмы 40, 50, 60, 70 и диаметром плоскодонных отражателей 2, 3, 4 мм. Углы призм СОП выбрали с расчетом наиболее полного охвата диапазона при проведении ультразвукового контроля.
Глубина залегания отражателей в СОП варьировалась от 10 до 100 мм с шагом в 10 мм. В тоже время, в различных отраслях промышленности толщина значительной части свариваемых элементов не превосходит 20 мм, с учетом особых условий эксплуатации оборудования (давление, температура, среда и прочее) толщина свариваемых элементов может доходить до 40 мм, и в исключительных случаях – более 40 мм.
Как показали проведенные исследования, а также многочисленные труды авторов [29, 41, 58], наибольшую трудность в интерпретации ультразвукового поля составляют ближняя и переходная зоны для всех типов акустических преобразователей, в том числе и для датчиков с ФАР. Вместе с тем особенности ФАР и знания качественных характеристик их акустического поля позволяют в определенных условиях точнее интерпретировать получаемые результаты. В первую очередь это целесообразно при использовании ФАР для автоматического или автоматизированного контроля, в том числе и толстостенных изделий, так как практически никогда нет возможности провести вырезку обнаруживаемых несплошностей, с изучением их параметров. Результаты теоретических и экспериментальных исследований были опробованы на толстостенных сварных соединениях главного циркуляционного трубопровода во время проведения планово-предупредительных ремонтов (ППР). Сварные соединения ГЦТ Ду850 изготавливают из биметаллических труб 990x70 с нанесённой на внутреннюю поверхность антикоррозионной наплавкой (плакировкой) толщиной 5 мм.
Сварные соединения трубопровода Ду850 располагаются в зонах приварки к патрубкам реактора, к патрубкам главного циркуляционного насосного агрегата (ГЦНА), к патрубкам парогенератора, к коленам и межтрубным блокам.
По конструктивному исполнению сварные соединения трубопровода Ду850 швы делятся на заводские (выполненные в цеховых условиях производителя до монтажа всей системы) и монтажные (выполненные непосредственно на месте строительства объекта). Пример конструктивного исполнения швов трубопровода Ду850 на ВВЭР-1000 представлен на Рисунках
