Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1. СИСТЕМЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕЛО
КОНТРОЛЯ С КОГЕРЕНТНОЙ ОБРАБОТКОЙ ДАННЫХ 17
1.1. Дефектоскопия как обратная задача. 17
1.2. Классификация систем визуализации по признаку обработки данных. 19
1.3. Когерентные алгоритмы формирования изображений в дефектоскопии.
1.3.1. Голографические алгоритмы получения изображений. 26
1.3.2. Временной алгоритм фокусированной синтезированной апертуры (SAFT). 31
1.4. Основные свойства акустических изображений. 35
1.4.1. Предельная разрешающая способность. 3 6
1.4.2. Особенности когерентных изображений. 1.5. Переход от дефектоскопии к дефектометрии. 46
1.6. Выводы. 48
1.7. Цели и задачи работы. 49 2. РАЗРАБОТКА КОГЕРЕНТНЫХ АЛГОРИТМОВ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЕФЕКТОВ И УЛУЧШЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВА. 52
2.1. Алгоритм проекции в спектральном пространстве (ПСП). 52
2.1.1. Раздельный режим регистрации данных. 54
2.1.2. Совмещенный режим регистрации данных 56
2.1.3. Предельная разрешающая способность алгоритма ПСП. 61
2.1.4. Быстродействие алгоритма ПСП.
2.2. Алгоритм Эталонной Голограммы 68
2.3. Алгоритмы улучшения качества изображения.
2.3.1. Учет аппаратной функции. 74
2.3.2. Учет формы контролируемого изделия.
2.3.2.1. Фазовая коррекция распределения рассеянного поля. 79
2.3.2.2. Коррекция спектра распределения рассеянного поля. 80
2.3.2.3. Сопоставление корректирующих свойств алгоритмов коррекции.
2.3.3. Гомоморфная фильтрация. 85
2.3.4. Исследования особенностей применения сложных сигналов.
2.3.4.1. Основные формулы 93
2.3.4.2. Результаты экспериментальных исследований, 97
2.3.4.3. Сжатие сложных сигналов. 98
2.3.4.4. Повышение чувствительности и помехоустойчивости систем, использующих сложные сигналы. 100
2.3.5. Исследования возможностей улучшения качества изображений
плоскостных дефектов. 104
2.4. ВЫВОДЫ. 109
3. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ СИСТЕМЫ С КОГЕРЕНТНОЙ
ОБРАБОТКОЙ ДАННЫХ СЕРИИ АВГУР. 112
3.1. Ультразвуковые системы неразрушающего контроля. 112
3.2. Ультразвуковые системы с когерентной обработкой данных серии Авгур.
1 3.2.1. Принципы построения автоматизированных систем серии Авг\р. 116
3.2.2. Структура систем серии Авгур.
1 3.2.2.1. Аппаратные средства систем серии Авгур. 117
3.2.2.2. Программное обеспечение систем серии Авгур. 124
3.2.3. Основные технические характеристики систем серии Авгур. 131
3.2.3.1. Назначение систем. 131
3.2.3.2. Характеристики объектов контроля 131
3.2.3.3. Электрические и конструктивные характеристики 132
3.2.3.4. Чувствительностьи точность выявления дефектов 132
3.2.3.5. Габариты и вес 133
3.2.4. Особенности систем серии Авгур. 133
3.2.4.1. Схемы регистрации эхо-сигналов 133
3.2.4.2. Поисковый режим работы системы Авгур 135
3.2.4.3. Измерительный режим работы системы Авгур 137
3.2.4.4. Получение изображения дефектов 141
3.2.4.5. Основные требования, предъявляемые к ПЭП. 142
3.2.4.6. Основные требования к регистрации данных контроля. 143
3.3. Метрологическое обеспечение и выпуск систем серии Авгур. 145
Выводы. 148
4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕСПЛОШНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАН И КМ СИСТЕМ С КОГЕРЕНТНОЙ ОБРАБОТКОЙ ДАННЫХ 150
4.1. Анализ разрешающей способности сие тем с когерентной обработкой данных. 150
4.2. Источники ошибок в определении параметров дефектов. 152
4.2.1. Погрешность определения параметров при первичном кот роле
152
4.2.2. Погрешность определения профиля дефектов при повторном измерении. 157
4.3. Сопоставление результатов измерений параметров дефектов с использованием системы Авгур и разрушающих испытаний. 158
4.3.1. Определение профиля коррозионных дефектов. 159
4.3.1.1. Особенности определения профиля коррозионных дефектов
159
4.3.1.2. Определение профиля коррозионных дефектов с
использованием системы Авгур. 16
т
4.3.2. Погрешность измерения параметров трещин в аустепитных сварных соединениях трубопроводов из нержавеющей стали диаметром 325x15 мм. 16
4.3.2.1. Определение длины дефекта. 162
4.3.2.2. Определение профиля дефекта при первичном контроле. 162
4.3.2.3. Погрешность определения профиля дефекта при повторном контроле.
1 4.4. Сравнительный анализ результатов ручного УЗК и АУЗК с когерентной обработкой данных. 168
4.5. Выводы. 172
5. ОЦЕНКА ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ СИСТЕМАїМИ СЕРИИ АВГУР 175
5.1. Классификация дефектов по когерентным изображениям. 176
5.1.1. Общие принципы формирования изображений в системе Авгур 176
5.1.2. Характерные особенности изображений дефектов в системах серии Авгур. 177
5.1.2.1. Выделение несплошности в изображении. 180
5.1.2.2. Признаки типов несплошностей. 183
5.2. Алгоритмы автоматической оценки результатов УЗК системами серии Авгур. 197
5.2.1 Автоматическое определение «дефектных» зон. 198
5.2.2 Автоматизация определения параметров дефектов.
2 5.2.2.1 Предварительная обработка изображений. 203
5.2.2.2 Выделение совокупности элементов изображений, относящихся к песплошностям, на фоне помех.
2 5.2.3 Определение типа несплошности 208
5.2.4 Оконтуривание несплошности и определение ее параметров. 211
5.2.5 Формирование протокола контроля. 216 6 ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМ СЕРИИ АВГУР ПРИ МОНИТОРИНГЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОМ КОНТРОЛЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. 219
6.1. Комплексная технология контроля сварных соединений. 219
6.2 Применение комплексной технологии контроля сварных соединений в атомной энергетике. 222
6.3 Применение комплексной технологии контроля сварных соединений в нефтегазовом комплексе (примеры). 229
6.3.1 Контроль трубопроводов обвязки на газокомпрессорных станциях (ГКС) Газпрома.
6.3.2 Контроль сварных соединений нефтепроводов ОАО «Трансиефть».
6.4 Выводы: ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЕ
Введение к работе
В России эксплуатируется большое количество промышленных потенциально опасных объектов: в энергетике и, в первую очередь, атомной, в нефтехимическом производстве, при транспортировке нефти и газа и во многих других отраслях промышленности. Для повышения эксплуатационной безопасности и снижения аварийности все больше внимания уделяется диагностике оборудования, которая позволяет на ранних стадиях проводить оценку их работоспособности, предупреждать возникновение аварийных ситуаций и, по возможности, продлевать сроки эксплуатации объектов. Одним из основных методов диагностики является метод ультразвуковой дефектоскопии, предложенный С.Я. Соколовым в 1928 г. В течение последующего десятилетия им были предложены основные методы ультразвуковой дефектоскопии, направленные на решение, как задачи обнаружения дефектов, так и задачи классификации, т.е. определения типа и параметров дефектов. С.Я. Соколовым были предложены различные методы визуализации дефектов, такие как электронно-акустический преобразователь (трубка Соколова), а также методы, которые в настоящее время называют визуализацией с использованием дифракции Брэгга [85, 163], методом поверхностного рельефа жидкости [173]. Необходимо отметить, что эти методы визуализации были, по существу, когерентными - голографическими. Осознание этого факта пришло только после изобретения голографии Табором в 1948 г. Можно сказать, что, фактически начиная с самого появления дефектоскопии, очень большое внимание уделялось количественному описанию выявленных дефектов - определению их типа, размеров, местоположения. Работами Алешина Н.П. [3, 120], Белого В.Г. [41], Вопилкина А.Х. [60], Воронкова В.A. [62J, Гребенникова В.В. [74], Григорьева М.В. [68J, Гурвича А.К. [76, 77], , Ермолова И.Н. [81, 82], Щербинского В.Г. [119, 120], применявших некогерентные методы дефектоскопии, был внесен значительный вклад в решение этой проблемы. Однако основными параметрами, описывающим выявленный дефект, оставались условные размеры, эквивалентная площадь, индикатриса рассеяния и ее производная коэффициент формы, тонкие изменения в спектре эхосигналов от дефекта. Все эти параметры далеко не всегда адекватно описывают реальные параметры дефекта [42, 119]. Вместе с тем незнание характера и реальных размеров дефектов разрывает естественную связь двух научно - технических областей, направленных на повышения надежности и определение ресурса контролируемых конструкций - дефектоскопии и теории прочности. Действительно, специалисгами в области прочности накоплен значительный опыт расчетов по определению состояния сварных швов и конструкций с учетом влияния дефектов, степени опасности дефекта и расчета ресурса работы дефектного объекта. Имеются утвержденные методики расчетов. Но для эффективного применения результатов прочностных расчетов, необходимо иметь точную информацию о тинах, размерах и местоположении обнаруженных дефектов. Сложившееся положение привело к тому, что нормы на ультразвуковой контроль (УЗК), практически во всех отраслях, необоснованно завышены. Любое превышение норм требует проведения ремонта или замены шва.
Одна из причин больших трудностей, связанных с определением реальных размеров дефектов при использовании некогерентных методов, состоит в недостаточности информации, извлекаемой из измерений нолей, рассеянных дефектами. Поэтому, для адекватного количественного описания дефектов исследователи применяли разнообразные «искусственные» приемы, адаптированные к выполнению неразрушающего контроля конкретного объекта и увеличивающую доступную для анализа информацию, но эти приемы могли быть неэффективны при ультразвуковом неразрушающем контроле другого объекта.
s Исследования обратной задачи рассеяния, частью которой является дефектоскопия, выполненные Буровым В.А. с сотрудниками [46 -51], Боярски Н.Н. (Bojarski N.N.) [132], Портером Р.П. (Porter R.P.) [177, 178], Деванеем А. Дж. (Devaney A.J.) [146 - 148], Стоуном В.P. (Stone W.R.) [186, 187] и экспериментальные исследования акустической голографии [1,2] позволили выявить основные особенности, границы применимости и информационные возможности различных когерентных методов. Было показано, что, применение когерентных методов обработки данных и акустической голографии в частности, в неразрушающем контроле [1, 2, 105, 158], приводит к значительному увеличению объема используемой информации и ее применение в дефектоскопии весьма перспективно [11]. Однако аналоговые методы реализации акустической голографии, такие как метод поверхностного рельефа, метод сканирования с оптическим восстановлением изображений [44], оказались слишком громоздкими, мало приспособленными для применения в практике. Одновременно с ними появились работы, направленные на использование в дефектоскопии вычислительных методов когеренгной обработки данных с целью получения изображений - был разработан алгоритм фокусированной синтезированной апертуры (SAFT) [157, 169. в котором основная обработка данных выполняется во временной области; вместо оптического восстановления голограмм используется алгоритм угловых спектров [2, 79] в котором основная обработка данных выполняется в частотной области. Было показано, что в рамках дифракционной теории алгоритм SAFT можно реализовать как во временной области, так и в области пространственных частот, и существует тесная связь между этими алгоритмами [164].
В последние годы в связи с лавинообразным развитием вычислительной техники особые перспективы использования в дефектоскопии
ч получили когерентные методы визуализации дефектов с применением компьютеров.
Приборы, использующие когерентные методы визуализации дефектов, если отбросить очевидный существенный недостаток для практики - большую сложность и стоимость, имеют принципиальное преимущество перед традиционными дефектоскопами: они используют значительно больше информации о дефекте, что позволяет получать изображения с очень высоким разрешением - порядка длины используемой звуковой волны, высоким отношением сигнал - шум, хорошо воспроизводимые при повторном контроле. Эти изображения в значительной большей степени зависят от фазовых составляющих измеренного акустического поля, рассеянного дефектами, чем от его амплитуды [155].
До постановки настоящей работы, начатой 1982 г., отсутствовали методы и средства ультразвукового неразрушающего контроля металлов с измерением реальных параметров дефектов: определением их типа, размеров, пригодные для применения в практике. Это было связано с тем, что отсутствовали быстрые и эффективные алгоритмы когерентной обработки данных, предназначенные для получения изображений внутреннего объема контролируемого объекта. Ультразвуковые системы с цифровой когерентной обработкой данных были предназначены для лабораторных исследований и были мало пригодны для практического использования [124, 182]. Они не обеспечивали достаточного быстродействия, качества получаемых изображений, адаптации к условиям практического контроля; отсутствовали алгоритмы улучшения качества изображений за счет учета практических характеристик направленности акустических преобразователей, учета реальных условий регистрации ультразвуковых данных. Единственный прибор, который выпускался серийно фирмой Karl Deutsch по лицензии ВАМ - цифровой голографиче-ский дефектоскоп Holograph 1190 - позволял получать одномерные ко 10
герентные изображения, полученные одночастотным вариантом метода угловых спектров, что совершенно непригодно для практических целей.
Учитывая, что потенциально системы могли быть измерительными. так как позволяли выполнять измерения реальных размеров дефектов, требовалась оценка погрешности определения параметров дефектов применительно для естественных дефектов. Однако не было статистически достоверных данных о реальных погрешностях приборов с когерентной обработкой данных на естественных, а не искусственных дефектах.
Для объективизации результатов оценки данных необходимо было выработать правила выделения дефекта в изображении контролируемого объема и его классификации на фоне акустических шумов различной природы и в присутствии разнообразных артефактов, связанных с выполнением контроля на реальных объектах.
Таким образом, для решения важной народно - хозяйственной задачи повышения безопасности и эксплуатационной надежности потенциально опасных объектов, продления сроков безаварийной работы путем перехода от дефектоскопии с измерением условных и эквивалентных размеров, к дефектометрии с измерением реальных размеров и определением типов дефектов потребовалось решить крупную научно -техническую проблему, которая заключается в разработке когерентных методов и средств ультразвуковой дефектометрии металлов, обеспечивающих определение типа и измерение реальных параметров дефектов. При этом полностью выполняется технологическая цепочка, состоящая из УЗК и прочностного расчета с оценкой технического состояния, определением ресурса, срока и возможности дальнейшей эксплуатации контролируемого изделия
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы и приложения.
и
В первой главе дана общая характеристика дефектоскопии как обратной задачи рассеяния, приведена классификация различных методов и средств визуализации дефектов по признаку обработки данных. Рассмотрены основные численные когерентные алгоритмы формирования изображений в дефектоскопии. Рассмотрены основные свойства когерентных акустических изображений. Проанализирована целесообразность перехода от дефектоскопии к дефектометрии. Сформулированы цель и задачи исследований.
Вторая глава посвящена разработке и исследованию предложенных автором быстрых и эффективных алгоритмов когерентной обработки данных, предназначенных для получения изображений внутреннего объема контролируемого объекта. Рассмотрены различные модификации многочастотного и многоракурсного алгоритма проекции в спектральном пространстве (алгоритм ПСИ) для совмещенного и раздельного режимов регистрации данных. Проанализирована его разрешающая способность и быстродействие. Алгоритм ПСП является основным алгоритмом, использовавшимся в работе, поэтому все приведенные изображения, если это не оговорено особо, получены с использованием алгоритма ПСП.
Разработан многочастотный алгоритм эталонной голограммы, который совместно с алгоритмом ПСП позволяет улучшить качество полученных изображений. Приведены результаты моделирования, демонстрирующие его основные особенности: повышение разрешения акустических изображений при незначительном ухудшении отношения сигнал -шум.
Разработан ряд алгоритмов улучшения качества изображений за счет учета аппаратной функции, формы поверхности изделий, неровности поверхности регистрации, нестабильности акустического контакта. Для каждого из алгоритмов выполнены экспериментальные модельные исследования, демонстрирующие основные полезные качества -.этих алгоритмов: повышение разрешения, учет влияния нестабильности контакта и неплоскостности поверхности регистрации.
Исследованы возможности применения сложных сигналов в сисіе-мах с когерентной обработкой данных. Использовались сигналы фазо-манипулированные по коду Баркера длиной 13 импульсов и усеченные М - последовательности. В экспериментальных исследованиях продемонстрирована полезность применения сложных сигналов для повышения чувствительности и помехоустойчивости.
Экспериментально исследованы возможности использования дельта -- схемы прозвучивания для получения высококачественных изображений вертикально ориентированных плоскостных дефектов.
В третьей главе приведено описание систем ультразвукового нераз-рушающего контроля с когерентной обработкой данных серии Авгур. Эти системы представляют собой программно-аппаратный комплекс, который позволяет получать когерентные изображения внутреннего объема контролируемых изделий с высоким разрешением и измерять реальные параметры выявленных дефектов. Сформулированы принципы построения систем серии Авгур, структура аппаратных и программных средств, основные технические характеристики систем, схемы регистрации и представления данных. Рассмотрены особенности систем серии Авгур, связанные с наличием двух режимов регистрации данных: поискового и измерительного. Целью поискового режима является обнаружение дефектных областей в сварном шве. Цель измерительного режима - детальная регистрация акустического поля, рассеянного песплопшо-стями, с подробностью достаточной для получения по этим данным после когерентной обработки акустического изображения с высоким разрешением для измерения реальных размеров обнаруженных несплошно 1 з стен, определение их тина. Приведены результаты работ по метрологическому обеспечению и объему выпуска систем серии Авгур.
Четвертая глава посвящена исследованиям погрешностей определения параметров несплопшостей в системах серии Авгур в реальных условиях контроля. Проанализирована разрешающая способность и источники ошибок при измерении размеров несплопшостей в системах с когерентной обработкой данных в условиях первичного и повторного (через выбранный интервал времени, например, год) контроля одной п той же несплошности. Приведены результаты исследований по сопосіавле-нию результатов измерения длины и высоты коррозионных дефектов, полученных с использованием систем серии Авгур и при разрушающем контроле - металлографическом исследовании и методом разрушения при трехточечном изгибе. Выполнено сопоставление результатов ручного ультразвукового контроля и автоматизированного контроля с применением систем серии Авгур аустенитных сварных швов трубопроводов из нержавеющей стали диаметром 325 х15 мм.
В пятой главе рассмотрена проблема оценки результатов контроля. выполненных системами серии Авгур. Рассмотрены характерные особенности изображений в системах серии Авгур. Приведен алгоритм автомагической оценки ультразвукового контроля, который состоит из двух алгоритмов: алгоритм автоматического поиска дефектных зон и алгоритм автоматического определения параметров дефекта. Даны примеры использования этих алгоритмов при контроле реальных несплопшостей. Результаты автоматического определения профиля дефектов сопоставляются с профилем этого же дефекта, полученного методом разрушения при трехточечном изгибе.
В шестой главе приведены примеры использования систем серии Авгур при мониторинге и эксплуатационном контроле в промышленности. Сформулирована комплексная технология контроля сварных соеди 14 пений с определением остаточного ресурса. Показана эффективность использования систем серии Авгур в рамках этой технологии. Приведены результаты использования систем серии Авгур в атомной энергетике при эксплуатационном контроле сварных соединений трубопроводов различных диаметров на действующих АЭС, так и при предэксплуата-ционном контроле (1998-2000 гг.) на 1 блоке Волгодонской АЭС и строящемся блоке Калининской АЭС (2002). Приведены примеры контроля с применением систем серии Авгур сварных соединений трубопроводов в нефтегазовом комплексе.
В заключении приведены основные результаты работы и намечены пути использования и совершенствования аппаратно-программных комплексов серии Авгур.
Целью работы является повышение безопасности и эксплуатационной надежности потенциально опасных объектов путем разработки когерентных методов и аппаратуры с цифровой обработкой данных, которая должна обеспечить визуализацию дефектов с высоким разрешением и позволяет измерять их реальные параметры, что создает условия для перехода от дефектоскопии к дефектометрии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Предложены многочастотные алгоритмы получения акустических изображений с высоким разрешением: алгоритм проекции в спектральном пространстве и алгоритм эталонной голограммы. Определены теоретически и подтверждены практически высокое быстродействие и разрешающая способность алгоритмов.
• Разработан ряд алгоритмов улучшения качества изображения за счет предварительной обработки зарегистрированных данных УЗК. Экспериментально показана эффективность учета аппаратной функции для повышения разрешения акустических изображе пий. Теоретически и на модельных экспериментах определены границы применимости алгоритмов фазовой коррекции.
• Предложено использован» алгоритм гомоморфной фильтрации для повышения качества когерентных изображений. На данных реального контроля установлена эффективность использования гомоморфной фильтрации для улучшения качества изображений дефектов в практике.
• Исследованы возможности применения сложных сигналов для получения когерентных изображений в условиях контроля сред с высоким уровнем акустических потерь. Экспериментально подтверждена эффективность применения сложных сигналов для повышения чувствительности контроля.
• Разработан и исследован на модельных эксперименгах алгоритм обработки данных, полученных по дельта - схеме прозвучивания с преобразованием акустических волн.
• Теоретически исследованы источники и экспериментально определены реальные величины погрешностей измерения размеров дефектов при первичном и повторном контроле, что обеспечило возможность использования разработанной аппаратуры в дефек-тометрии.
• Разработана комплексная технология ультразвукового контроля с использованием систем с когерентной обработкой данных и методология оценки размеров дефектов по их акустическим изображениям.
• Предложены и разработаны методология оценки параметров дефектов по когерентным изображениям, алгоритмы автоматизации различных режимов работы системы с когерентной обработкой данных: автоматизации поиска измерительных зон и определения параметров несплошностей. На большом массиве жеперимен 16 тальных данных показана высокая достоверность полученных результатов и эффективность использования алгоритмов. Апробация работы.
Основные положения и результаты работы опубликованы в периодических изданиях, докладывались и обсуждались на Международных, Всесоюзных, Российских научно - технических конференциях. Опубликовано 47 статей и докладов, получено 3 авторских свидетельства, написана 1 монография. Приборы - системы серии Авгур - демонстрировались на различных Российских и международных выставках, эксплуатируются на ряде АЭС России.
Работа выполнялась с 1982 г. по 1990 г. в Акустическом институте им. академика Н.Н. Андреева, с 1990 по 2006 гг. - в 1 Іаучно - Производственном Центре Неразрушающего Контроля «Эхо+».
