WIARYGODNOŚĆ ULTRADŹWIĘKOWYCH BADAŃ SPOIN, A SKANERY 2D I 3D

Transkrypt

1 XVI Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane, 9-12 marca 2010 WIARYGODNOŚĆ ULTRADŹWIĘKOWYCH BADAŃ SPOIN, A SKANERY 2D I 3D Władysław MICHNOWSKI Zakład badań materiałów ULTRA, Wrocław, biuro@ultra.wroclaw.pl Jarosław MIERZWA IIAiR Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, jaroslaw.mierzwa@pwr.wroc.pl 1. WSTĘP Badania nieniszczące spoin to prawdopodobnie największy obszar zastosowań badań nieniszczących w którym na czoło wybiły się badania ultradźwiękowe Popularność UT zawdzięczamy znanym i naturalnym zaletom oraz kilku czynnikom dodatkowym. Niewątpliwie należy do nich twórczy i bardzo intensywny rozwój badań UT wykonany głównie w Firmie Krautkrämer już w latach 60 ubiegłego wieku, który był kompleksowy i obejmował rozwój aparatury i metod badań oraz szkolenie i popularyzację. Z dość chaotycznych początkowych poczynań krokiem milowym postępu było wprowadzenie pojęcia wady ekwiwalentnej, któremu towarzyszyła procedura AVG (DGS, OWR). Miało to wpływ na uściślenie badań co z kolei rzutowało na ujednolicenie badań, norm, systemów szkoleniowych, certyfikację personelu itd. W powodzi niewątpliwych sukcesów zapomniano jakby o tym, że wprowadzono do badań element sztuczny - wadę wzorcową, i że między tą wadą wzorcową, a wadą rzeczywistą nie ma ścisłego związku współzależności, a jest tylko domniemanie, że wada wzorcowa dobrze reprezentuje w badaniach lub jest ekwiwalentna wadzie rzeczywistej. Świadomość ubóstwa tych założeń z jednej strony, oraz praktyka wielu lat pozytywnych dokonań w badaniach UT inspiruje do pytań i poszukiwań przede wszystkim pod kątem określenia stanu i ewentualnej poprawy wiarygodności badań UT. Zadaniem i próbą naświetlenia współczesnych możliwości w tym zakresie w obszarze badań UT tradycyjnych poszerzonych o możliwości skanerów jest niniejszy artykuł. Uwaga: Autorom jest znana nieco inna ścieżka rozwoju badań UT w Ameryce prowadząca do metod DAC, a także ścieżka rozwoju badań RT, które już w założeniu mają bogatsze możliwości. Ewentualnie informacje te będą przywoływane niżej w miarę potrzeb. Badania ultradźwiękowe spoin prowadzone są w dwóch obszarach: w obszarze unormowanym obejmującym badania wykonywane zgodnie z normami [1] i [2] w obszarze nie unormowanym obejmującym badania pozostałe wśród których warto wyróżnić: względnie nowe metody FA i TOFD wymagające nowej, bardziej złożonej i drogiej aparatury. 99

2 badania wg IBUS-TD ([5]), badania spoin trudnych (np. pachwinowe bez pełnego przetopu), badania spoin płetw ekranów komór kotów blokowych itd. Norma [3] w punkcie 5 oraz dokument [4] zalecają aby metody badań nieniszczących stosowane w obszarze nie unormowanym były walidowane, przy czym wymaga się porównania wyników co najmniej dwóch różnych metod. Porównania takie zwyczajowo robi się pomiędzy wynikami badań ultradźwiękowych i radiograficznych - niestety wyniki badań są często sprzeczne, aczkolwiek bywają i zgodne. Wbrew intencjom autorów wymienionych dokumentów, porównania takie nie mogą być użyte do oceny wiarygodności którejś z porównywanych metod. Metody RT i UT są wzajemnie uzupełniające się, a żadna z nich nie jest zamienna z drugą. Gdyby ktoś zrobił sumę wyników badań obydwoma metodami byłby to wynik bardziej wiarygodny niż którejkolwiek z nich, tylko że nie ma dla takiej sumy kryterium oceny. W badaniach odbiorowych wykonywanych dwoma metodami i w obszarze unormowanym przyjmuje się za wynik ostateczny ten który wg kryteriów, z jednej normy daje wynik gorszy. Są to od wielu lat stwierdzenia dość powszechnie uznane jako oczywiste. W rozdziale 2 zostanie to omówione w niektórych aspektach być może mniej znanych. 2. WIARYGODNOŚĆ BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH Jeśli wiarygodność (W) określimy jako stosunek wad wykrytych (W w ) do rzeczywiście w badanym elemencie istniejących (W i ) i nie dysponujemy jakimś absolutnym systemem wykrywającym wszystkie wady (W i ) to przypisanie wiarygodności (W) jakiejś cyfry między 0 a 1 jest niczym nie uprawnione, - a jest to niezbędny warunek porównania metod. (Jedyny wyjątek to (W w ) = (W i ) = 0 - brak wad). Mówiąc inaczej metodzie wzorcowej np. radiograficznej przypisano absolutną wykrywalność co jak wiadomo jest nieprawdą bo można znaleźć dwa radiogramy które dotyczą tego samego miejsca, a są różne. Tym samym niekontrolowane zmiany wykrywalności metody wzorcowej obciążają metodę porównywaną. Na potrzeby tego artykułu pojęcie wiarygodności badań zawężono tylko do wykrywalności wad. Natomiast nie analizowano innych związanych parametrów takich jak: wykrywalność położenia wad, wykrywalność wielkości wad, wykrywalność charakteru wad itd. Poniżej omówiono w skrócie trzy pojęcia, związane z wykrywalnością wad, a mianowicie: wpływ geometrii wady na jej wykrywalność w badaniach UT i RT, wpływ kąta wady na jej wykrywalność i jej ocenę w badaniach UT, zobrazowania wad - jest to pojęcie w pewnym stopniu niezależne od wykrywalności i jest raczej pojęciem charakteryzującym cechy i możliwości aparatury oraz metody użytej w badaniach. Tym niemniej, dość powszechnie bogatsze zobrazowania są błędnie postrzegane jako większa wykrywalność Wpływ geometrii wady na jej wykrywalność w badaniach porównawczych UT i RT W kontekście żądań weryfikacji w jakimkolwiek zastosowaniu którejś z metod UT i RT tak aby do walidacji jednej użyć drugiej, należy rozważyć czy to w ogóle ma sens jeśli występują aż tak istotne różnice wymienione niżej. Różnice te są od lat dość powszechnie znane, a poniżej przedstawiono ich wybór z odnośnym komentarzem. Wprowadźmy podział wad na dwie grupy płaskie i przestrzenne w takim znaczeniu że przestrzenne to przeważnie wtrącenia i inne mające jakąś objętość, a płaskie to przy objętości bliskiej 0 mogą mieć kształt: płaski, sferyczny, walcowy, zygzakowy itd. Jeśli ograniczmy rozważania tylko do wad płaskich to: 100

3 obydwie metody są zależne od przestrzennego kąta jaki tworzy powierzchnia wady z kierunkiem promieniowania (R,γ) lub U, najkorzystniejszy kąt w badaniach UT (metodą echa) to kąt 90 0, który jest najmniej korzystny w badaniach RT i na odwrót najkorzystniejszy kąt w badaniach RT to kąt 0 0 który jest najmniej korzystny w badaniach UT. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że konsekwencją tych cech jest sprzeczność polegająca na tym, że jeśli jakaś wada ma korzystny kąt dla UT to tym samym jej wykrywalność przez RT jest niska i vice versa. Jednak opisana sprzeczność między wykrywalnością wad płaskich metodami UT i RT nie morze być ekstrapolowana na inne obszary bo np. dla wad przestrzennych można przypisać olbrzymią przewagę RT nad UT w wykrywalności wad. Dodatkowo przewaga ta jest wzmocniona poprzez znacznie bogatsze zobrazowania oraz trwały i dość obiektywny zapis Wpływ kąta wady na jej wykrywalność i ocenę w badaniach UT Wpływ kąta wady na jej wykrywalność w badaniach UT należy do elementarnych wiadomości na kursach w normach podręcznikach itd. Jest on jednak podawany dość schematycznie lub życzeniowo np. w normie [2] Jeden z zastosowanych kątów wprowadzenia wiązki powinien zapewnić prostopadłe lub możliwie najbardziej zbliżone do prostopadłego padanie wiązki na powierzchnię wtopienia spoiny. lub nawet podawane są sposoby użycia głowic tandem dla zwiększenia wykrywalności itd. Natomiast nie spotkaliśmy się z podaniem choćby jednego przykładu wpływu kąta wady na ocenę jej ekwiwalentnej wielkości i chyba nie wspomniano też o paradoksie (groźnym) który w tym obszarze występuje. Dość złożony problem wpływu kąta wady na ocenę jej ekwiwalentnej wielkości podajemy w dużym uproszczeniu na prostym przykładzie poniżej. Przykład 1 Do doświadczenia użyto podany na zdjęciu zestaw - rys. 1. Rys. 1 Zdjęcie układu pomiarowego Zestaw elementów który składa się z: defektoskopu CUD, dwóch głowic 4T70 0 9x10 nr U519 oraz i 4T x10 nr U533, 101

4 wzorca trójkątnego 70 0 z otworkami płaskodennymi Ø 2mm (wada ekwiwalentna 2 mm), wzorca trójkątnego 70 0 bez otworków - wada ekwiwalentna. Rys. 2 Położenie głowic na wzorcu 70 0 podczas tworzenia krzywej i układ geometryczny osi wiązki w doświadczeniu dla głowic 70 0 i 60 0 oraz wad (jest podobnie dla wady 2 mm) Rys. 3 Krzywe dla wady nieskończoność zrobione na wzorcu 70 0 dla głowicy 70 0 i 60 0 przy wzmocnieniach 15 i 39 db Jak wynika z porównania wykresów rys.3 dynamika zmian wady nieskończoność wynosi od ok. 24dB do ok. 30 db między układem wzorzec 70 0 i głowica 70 0, a układem wzorzec 70 0 i głowica 60 0,. Mówiąc inaczej w podanym przykładzie dla wady nieskończoność dla kąta padania wiązki różnego od prostopadłego o 10 0 zmniejszenie echa wynosi aż db Rys. 4 Krzywa dla wady 2mm dla głowicy 60 0 i 70 0 na wzorcu 70 0 Na rys. 4 przedstawiono dwie krzywe zrobione na wzorcu 70 0 dla głowic 70 0 i 60 0 zrobione przy tym samym wzmocnieniu i dla wady 2 mm Jak wynika z rys.4 głowica 60 0 widzi wady 2 mm podobnie jak głowica 70 0, ale tylko nieco gorzej bo zmniejszenie amplitud wynosi tylko ok. 4 db. Groźny paradoks Jeśli najkorzystniejszy kąt padania wynosi 90 0 to zmiany tego kąta o 10 0 powodują: 102

5 - dla wad dużych diametralnie duże zmniejszenie amplitudy echa - dla wad małych małe zmniejszenie amplitudy echa Jeśli podany przykład jest dostatecznie reprezentatywny to wynika z niego paradoks który można sformułować następująco. Jeśli wykrywa się wadę małą to nieprawdziwa jest implikacja że wykrywanie wad większych będzie bardziej prawdopodobne i łatwiejsze. Może być na odwrót to znaczy wady większe będą trudniej wykrywane niż wady mniejsze jeśli jest to związane z niedopasowaniem kąta do optymalnego. 3. ZOBRAZOWANIA WAD Jak już wspomniano często bogatsze zobrazowania są błędnie postrzegane jako większa wykrywalność, a szczególnie ostro jest to akcentowane w porównaniach metod UT i RT. Aspekt porównań wykrywalności metod UT i RT omówiono w rozdziale 2.1. poniżej zamieszczono kilka uwag dotyczących relacji pomiędzy wykrywalnością wad, a ich zobrazowaniami. - wada która nie została wykryta nie maże być zobrazowana, a bogatsze zobrazowania nic tu nie zmieniają - istnieją dwie techniki zobrazowań to jest: o syntetyczna fotograficzna np. radiogramy, zdjęcia w metodach powierzchniowych o analityczna cyfrowa np. A,B,C-scan, P-scan, U-scan (sonogramy skanerów ULTA), w przyszłości tomograf. Technika analityczna zobrazowań, która jest współcześnie jedyną dostępną w badaniach ultradźwiękowych operuje obrazami symbolicznymi będącymi bardzo dużym uproszczeniem rzeczywistości. Nieistniejący na razie tomograf wydaje się mógłby to zmienić i poprawić. Przykłady porównań badań RT z zapisami skanerów ultradźwiękowych, aby były zrozumiałe wymagają bardzo dobrej jakości zdjęć i wskutek tego nie są zamieszczone w tym artykule. 4. WNIOSKI Na podstawie powyższych punktów można wyciągnąć następujące wnioski: metody UT i RT mogą w niektórych obszarach (nawet typowych) być mało wiarygodnie tzn. nie wykrywać albo zaniżać ocenę wad dużych, głównym powodem tego obniżenia wiarygodności są niedopasowania kąta badania do przestrzennego kąta występującej wady. Obszary te mogą być często nie identyfikowalne przez operatora, bo tak w procedurach jak i we współczesnym wyposażeniu brak do tego odpowiednich narzędzi, obszary obniżonej wiarygodności tych metod mogą się pokrywać w konkretnym przypadku, a w innym nie. Jest to wystarczający powód do uznania, że weryfikacja jednej metody przy użyciu drugiej też nie jest wiarygodna, w zakresie metody UT podwyższenie wiarygodności badań w stopniu istotnym można uzyskać poprzez wprowadzenie procedur i ich wyposażenia technicznego np. skanera 3D wyposażonego w głowice wieloprzetwornikowe, w nieco mniejszym stopniu podwyższenie niezawodności można uzyskać poprzez konsekwentny i precyzyjny dobór kątów głowic do konstrukcji badanej spoiny i zastosowaniu skanera 2D. 5. SKANERY 2D Głównym celem skanerów 2D jest rejestracja wskazań defektoskopu w funkcji długości spoiny (czyli względem osi X). Dla każdego wskazania rejestruje się jego wielkość (w postaci amplitudy lub wady równoważnej), głębokość (Z) oraz położenie wzdłuż osi spoiny (X). 103

6 Mając taki zbiór wskazań można rysować mapy wad oraz przeprowadzać automatyczną ocenę spoiny wg norm lub innych procedur. Na rynku pojawiało się wiele metod pomiaru odległości X m.in. poprzez: - poruszanie głowicy ze stałą prędkością, - użycie fali powierzchniowej (typu R), - wykorzystanie enkodera linkowego, - układ mechaniczny przesuwający i rejestrujący położenia głowicy. Każdy z tych sposobów ma swoje wady i zalety, które wpłynęły na ich stosowanie w badaniach ultradźwiękowych. Osobnym zagadnieniem jest automatyczna ocena zarejestrowanych wskazań, bo prawie wszystkie firmy oferują skanery bez takiej możliwości Pomiar odległości poprzez poruszanie głowicy ze stałą prędkością W metodzie pomiaru odległości głowicę operator porusza ze stałą i znaną prędkością. Lokalizacja położenia wskazania polega na obliczeniu drogi wg klasycznego wzoru - droga = prędkość x czas. od momentu startu. Jest oczywiste, że jest to sposób tak mało dokładny, że jest raczej gadżetem niż przyrządem pomiarowy Pomiar odległości poprzez poruszanie głowicą za pomocą silników krokowych Zastosowanie silników krokowych do poruszania głowicą zapewnia dużą precyzje pomiaru odległości, ale ma szereg istotnych wad, które spowodowały że nie jest ona używana powszechnie w pomiarach. Te wady to: problemy kontaktu głowicy z podłożem w przypadku najechania głowicą na nierówność, odprysk wysoka cena zestawu, czasochłonność związana z przygotowaniem zestawu do badania, wymiary geometryczne zestawu Pomiar odległości poprzez wykorzystanie fali typu R Metoda pomiaru odległości poprzez wykorzystanie do tego celu fali powierzchniowej Railegha (nazywana falą typu R) polega na pomiarze czasu przepływu fali pomiędzy dwoma głowicami: nadawczą i odbiorczą. Przy znanej prędkości fali można obliczyć odległość pomiędzy tymi głowicami. Skaner wykorzystujący tą metodę pomiaru został opracowany w 1986r przez firmę ULTRA. Jako jeden z pierwszych w technice cyfrowej i jako jedyny mający właściwość oceny spoin wg norm. Xzm Oś spoiny (oś X) Głowica nadawcza fali R Głowica badawcza i sprzężona z nią głowica odbiorcza fali R Rys. 5 Schematyczna zasada pomiaru odległości X W tej metodzie głowica nadawcza jest nieruchoma i umieszczona na początku spoiny, natomiast głowica odbiorcza jest falą powierzchniową sprzężona z głowicą badawczą. Poruszając głowicą badawczą zmieniamy w ten sposób odległość Xzm pomiędzy głowicą nadawczą a głowicą odbiorczą fali powierzchniowej. Drugą cechą tego skanera (nie 104

7 występująca u innych firm) jest automatyczna ocena zarejestrowanych wskazań według określonego kryterium. Dotychczas opracowano ocenę wskazań według PN6999, PN- EN1712,1714 oraz wg zaleceń brazylijskiego koncernu Petrobras. Konsekwencją automatycznej oceny jest drastyczne skrócenie czasu pracy na przygotowanie raportu końcowego z badania spoiny. Na rys. 6 przedstawiono fragment wydruku raportu z badania spoiny z mapą wykrytych wskazań i oceną spoiny wg PN-EN1712,1714. Rys. 6 Fragment wydruku raportu z badania spoiny Przedstawiony fragment raportu składa się z dwóch część: objaśnień (legendy) oraz wyników badania spoiny w formie graficznej - zarejestrowane wskazania w funkcji długość spoiny (oś X). Szara część oznacza przekrój spoiny (na górze jest, lico a na dole grań), natomiast wskazania narysowano w postaci kolorowych plam. Kolor oznacza amplitudę wskazania wg legendy (pierwsza część rysunku). Pod spodem spoiny narysowano wyskalowaną oś X z umownie przyjętym podczas badania początkiem (punktem zerowym) Pomiar odległości poprzez wykorzystanie enkodera linkowego Pomiar odległości za pomocą enkodera linkowego polega na pomiarze długości odwiniętej linki, której jeden koniec przypięty jest do enkodera a drugi do głowicy badawczej. Każde wysuniecie lub schowanie linki powoduje wygenerowanie przez enkoder szeregu impulsów. Zliczając te impulsy i mnożąc poprzez wartość stałą uzyskujemy żądaną odległość. Zaletami enkodera linkowego jest to, że można go postawić poza spoiną i zmierzyć całą długość spoiny ponadto jest bardziej przydatny do badań spoin obwodowych.. Rozwiązanie to jest stosowane jako równorzędne do ultradźwiękowej metoda pomiaru położenia wzdłuż osi X w skanerach firmy ULTRA. 6. SKANER 3D (PROTOTYP) Skanery 3D są nowszą generacją pozwalającą na zobrazowania przestrzenne, wiąże się to jednak ze zwiększoną złożonością techniczną sprzętu do rejestracji. W konstrukcji opracowywanej w firmie ULTRA celem układu pomiarowego przedstawionego niżej jest wyznaczenie położenia punktów w spoinie od których rejestrujemy chwilowe echa podczas ruchów głowicą na powierzchni XY. Głowica jest prowadzona przez operatora w pasie (np. s/2 do s) z możliwością wyboru w sposób ciągły kąta jej obrotu (np. ± 20 0 ). Układy pomiarowy i obliczeniowy defektoskopu w czasie rzeczywistym identyfikują ze sobą cztery parametry tj. położenie punktu w przestrzeni XYZ oraz ewentualną przynależną amplitudę echa A i zapisuje je w pamięci. Operator ma prawie pełną swobodę operowania głowicą - np. może wyszukiwać w różnych położeniach i 105

8 pod różnymi kątami maksymalną amplitudę ech, może w dowolnym punkcie być wiele razy, układ także wskaże obszary gdzie ma zagęścić (powtórzyć) ruchy głowicą. Defektoskop MultiCUD jest defektoskopem wielokanałowym i zgodnie z normą PN-EN 1712 do badań na poziomie B wyposażany jest w głowicę dwuprzetwornikową (np i 60 0 ), może także to być głowica wieloprzetwornikowa. Układ jest przedstawiony na rysunku niżej składa się: ze skanera linkowego mierzącego odległość L, linijki fototranzystorów oświetlanych światłem laserowym z dwóch laserów umieszczonych na głowicy symetrycznie względem kierunku fali ultradźwiękowej. Na podstawie zmierzonych (lub znanych) parametrów: odległości L, kąta pomiędzy promieniami lasera Θ, odległości X1 i X2 można wyliczyć położenie głowicy (Xg,Yg) oraz kąt Φ i na tej podstawie w połączeniu z danymi z defektoskopu (odległość głowicy od wady w rzucie poziomym i pionowym) wyliczyć położenie wady w przestrzeni XYZ. rzut osi głowicy promienie laserów Rys. 7 Geometria układu pomiarowego 7. PODSUMOWANIE Z przedstawionych materiałów wynika, iż podwyższenie wiarygodności badania spoin można uzyskać poprzez zastosowanie wielu kątów głowic w badaniach w połączeniu z zastosowaniem skanerów, a w przyszłości tomografu. LITERATURA I NORMY [1] PN-EN 1712, Badanie nieniszczące złączy spawanych. Badania ultradźwiękowe złączy spawanych. Poziomy akceptacji [2] PN-EN 1714, Badanie nieniszczące złączy spawanych. Badania ultradźwiękowe złączy spawanych [3] PN-EN ISO/IEC 17025, Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących [4] Dokument DS/CEN/TR 147, Non-destructive testing - Methodology for qualification of non-destructive tests [5] W.Michnowski, Instrukcja ultradźwiękowej metody IBUS-TD-06, 106