BADANIA ULTRADŹWIĘKOWE Z ZASTOSOWANIEM GŁOWIC WIELOPRZETWORNIKOWYCH SYSTEM PHASED ARRAY Wojciech MANAJ Grzegorz WOJAS Maciej SZWED Andrzej ZAGÓRSKI Maciej SPYCHALSKI Krzysztof J. KURZYDŁOWSKI Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej wmanaj@inmat.pw.edu.pl, grzewo@inmat.pw.edu.pl, mszwed@inmat.pw.edu.pl, azagor@inmat.pw.edu.pl, mspychalski@inmat.pw.edu.pl, kjk@inmat.pw.edu.pl 1. Wprowadzenie Właściwości użytkowe materiałów instalacji przemysłowych ulegają obniżeniu pod wpływem warunków eksploatacji takich jak temperatura środowisko pracy oraz naprężenia. Zjawisko to określane jest mianem degradacji materiału i wywołane jest złożonymi i współzależnymi procesami zachodzącymi w makro- i mikrostrukturze eksploatowanego materiału[1-5]. W końcowym stadium rozwoju, degradacja objawia się w postaci pęknięć lub rozwarstwień materiału. Proces degradacji materiałów konstrukcji może przebiegać z większą szybkością niż zakładany czas eksploatacji urządzenia. Wpływ na to maja m.in. niekontrolowane przegrzania, zmęczenie cieplne pojawiające się w trakcie niestabilnej pracy oraz zmęczenie mechaniczne wywołane np. drganiami układu. Procesy degradacyjne mogą być także intensyfikowane w wyniku modernizacji instalacji przemysłowych podnoszących wydajność procesu produkcyjnego Sytuacja taka wymusza konieczność stosowania metod badawczych umożliwiających ocenę stopnia degradacji materiału umożliwiających i prognozowanie dalszej przydatności konstrukcji w aspekcie bezpiecznego jej użytkowania. Monitorowanie stanu materiału konstrukcji uwarunkowane jest względami ekonomicznymi oraz bezpieczeństwem pracy zarówno z punktu widzenia zagrożeń dla personelu obsługującego instalację jak również środowiska naturalnego. Monitorowanie ma szczególne znaczenie w energetyce oraz w przemyśle rafineryjnym, gdzie urządzenia pracują w warunkach pełzania (temperatura, ciśnienie). Ich niekontrolowana degradacja może doprowadzić do katastrofy. W praktyce, przemysłowej, dla aparatów stanowiących szczególne zagrożenie, prowadzone są planowane badania okresowe mające na celu monitorowanie procesów degradacji struktury materiału. Najbardziej wytężone elementy poddawane są systematycznej ocenie poprzez badania nieniszczące, w których wiodącą metodą są pomiary ultradźwiękowe. W pracy przedstawiono jedną z najnowszych technik w badaniach ultradźwiękowych jaką są pomiary głowicami wieloprzetwornikowymi[6]. Zaprezentowano wybrane możliwości badań
poparte praktycznymi przykładami ich wykorzystania w pomiarach przemysłowych. Nowe możliwości metody znacznie poszerzają niedostępne jak do tej pory zdolności badań ultradźwiękowych głowicami jednoprzetwornikowymi. 2. Charakterystyka badań ultradźwiękowych z zastosowaniem głowic wieloprzetwornikowych Charakterystyczną cechą opisywanych badań jest zastosowanie ultradźwiękowych głowic wieloprzetwornikowych oraz systemu zbierania i analizy uzyskiwanych sygnałów. Głowice wieloprzetwornikowe, zwane również głowicami mozaikowymi, różnią się od standardowych głowic ultradźwiękowych tym, że składają się z wielu pojedynczych przetworników (16, 32, 64, 128 szt.), z których każdy może niezależnie emitować i odbierać falę ultradźwiękową. Wyróżnia się kilka rodzajów głowic mozaikowych charakteryzujących się różnym rozłożeniem i różną ilością poszczególnych elementów piezoelektrycznych w głowicy. Istnieje kilka możliwości rozłożenia elementów w głowicy mozaikowej[7,8,9]. Najbardziej popularne jest rozłożenie liniowe (rys. 1a) umożliwiające skanowanie materiału wiązką ultradźwiękową w jednym kierunku. Badanie tego typu minimalizuje ilość wymaganych elementów, co wiąże się z mniejszymi kosztami wykonania głowicy. Inna możliwością jest rozłożenie macierzowe przetworników (rys. 1b) umożliwiające skanowanie w dwóch kierunkach co umożliwia większe możliwości badawcze. Istnieją także możliwość innego ułożenia elementów piezoelektrycznych w głowicy np. kołowe lub sektorowe stosowane w specyficznych typach badań. Rys. 1. Rozłożenie elementów piezoelektrycznych w głowicy wieloprzetwornikowej Głowice wieloprzetwornikowe wykorzystywane są przez zaawansowane technicznie defektoskopy ultradźwiękowe nazywane systemem Phased Array. Jego głównym zastosowaniem w aplikacjach przemysłowych, jest defektoskopia czyli wykrywanie i szacowanie wielkości wad materiałowych w elementach konstrukcji. Tradycyjnie do wykrycia wady materiałowej stosuje się przeszukiwanie powierzchni badanego elementu jednoprzetwornikową głowicą ultradźwiękową. Obserwuje się wówczas sygnały ultradźwiękowe w postaci zobrazowania typu A. Ograniczeniem tej metody w wykrywaniu defektów jest kształt wiązki ultradźwiękowej i czułość związana z orientacją wady (rys. 2)[10]. Zastosowanie głowic wieloprzetwornikowych i związane z tym możliwości kształtowania między innymi kierunku wysyłania wiązki ultradźwiękowej znacznie zwiększają możliwości detekcyjne. Niewątpliwą zaletą zwiększającą wykrywalność wad jest możliwość obserwacji badanego elementu z wykorzystaniem zobrazowania typu B.
Rys. 2. Możliwości detekcji defektów materiałowych głowicami jednoprzetwornikowymi i wieloprzetwornikowymi Kształtowanie wiązki ultradźwiękowej w głowicach mozaikowych, ma na celu ogniskowanie jej na określonej głębokości badanego materiału (rys. 3a) lub odchylenie osi wiązki od kierunku normalnego (rys. 3b)[11]. Realizowane jest to poprzez elektroniczne opóźnienie pobudzania poszczególnych elementów piezoelektrycznych głowicy. Rys. 3. Kształtowanie wiązki ultradźwiękowej: ogniskowanie (a), odchylanie od kierunku normalnego (b) Odbiór fali ultradźwiękowej z poszczególnych elementów piezoelektrycznych jest realizowany z takimi samymi opóźnieniami jak przy jej nadawaniu, co umożliwia właściwą analizę otrzymanych sygnałów. Kształtowanie wiązki ultradźwiękowej głowicy wieloprzetwornikowych umożliwia pracę w trybach: skanowania sektorowego w określonym zakresie kątowym (rys. 4a), skanowania liniowego w kierunku normalnym (rys. 4b), skanowania liniowe pod określonym kątem (rys. 4c) oraz dynamicznego ogniskowania wiązki na określonej głębokości (rys. 4d).
a) b) c) d) Rys. 4. Tryby pracy: skanowanie sektorowe w określonym zakresie kątowym (a), skanowanie liniowe w kierunku normalnym (b), skanowanie liniowe pod określonym kątem (c), dynamiczne ogniskowanie wiązki na określonej głębokości (d). Możliwości pracy za pomocą głowic wieloprzetwornikowych oraz możliwości analizy odbieranych sygnałów on-line umożliwiają otrzymywanie wyniku badania w postaci jednoczesnego zobrazowania typu A i B. Ułatwia to znacznie wykrycie i ocenę defektów w badanym materiale. Szczególnie cenna jest możliwość oceny wielkości wykrytej wady i jej orientacji w sposób mniej czasochłonny i bardziej przyjazny dla operatora w porównaniu z tradycyjnymi badaniami ultradźwiękowymi. Możliwość wizualizacji wielkości i kształtu wykrytej wady daje możliwość śledzenia zmian jej geometrii także w funkcji czasu i warunków eksploatacji. W praktyce badanie przy pomocy systemem Phase Array ogranicza się do podania przez operatora takich parametrów jak: głębokość ogniskowania wiązki, zakres kątowy wiązki, typ skanu (np. liniowy lub sektorowy) oraz parametry związane z tzw. wirtualną głowicą. Również należy zdefiniować typ głowicy oraz przekładki. Resztę operacji wykonuje za nas system obliczając czasy opóźnień wyjść wiązek ultradźwiękowych z poszczególnych przetworników.
3. Metodyka badań 3.1. Materiał badań Przedmiotem badań były elementy rurociągu o przekroju 8 i 30. Rurociąg wykonano ze stali A106B. Skład chemiczny stali zgodny z normą ASME zamieszczono w Tablicy 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanego elementu. Obszar pomiaru C Si Mn S P A 106 B (ASTM A 106-99) max 0,50 min 0,10 0,26-1,06 max 0,048 max 0,058 Rurociąg pracował w temperaturze 54 C pod ciśnieniem 13,2MPa. Rurociąg służył do przesyłania węglowodorów i wodoru. 3.2. Badania ultradźwiękowe Badania ultradźwiękowe prowadzono za pomocą defektoskopu OMNISCAN MX R/D Tech 32-128 (rys. 5) stosując głowicę wieloprzetwornikową 5L64 o częstotliwości pomiarowej 5 MHz. W badaniach zastosowano skanowanie liniowe w kierunku normalnym. Wzbudzano 32 z 64 przetworników głowicy stosując ogniskowanie wiązki ultradźwiękowej na głębokości 15mm dla wycinka rury 8 i 40mm dla wycinka rury 30. Do badania zastosowano metodę echa. Aby wyeliminować wpływ pola bliskiego głowicy zastosowano klin opóźniający. Przed wykonaniem pomiarów defektoskop wyskalowano na wzorcu nr 1. Przeprowadzone pomiary miały na celu ocenę grubości stanu erozji lub wykrycie nieciągłości w badanych elementach. Rys. 5. OMNISCAN MX R/D Tech 32-128 Badania elementu rury 8 wykonano na wycinku o długości 250 mm. Wyniki pomiarów zamieszczono na rysunku 6 wraz z obrazami przedstawiającymi zniszczenia erozyjne rury. Zobrazowanie typu C badanego obszaru przedstawionego na rysunku 6c złożono z 6-ciu skanów. Porównanie wykonanych badań z pomiarami geometrycznymi elementu (rys. 7) potwierdziło jej skuteczność w ocenie erozji badanego materiału.
a) b) c) Rys. 6. Wyniki pomiarów grubości elementu rurociągu 8 : geometria a), b), zobrazowanie typu C obszaru zerodowanego c)
Rys. 7. Wyniki pomiarów geometrii elementu rurociągu 8 Badania elementu rury 30 wykonano bezpośrednio na instalacji w trakcie pracy rurociągu i po jego wycięciu z ciągu technologicznego. Na rysunku 8 zamieszczono wyniki pomiarów wykonanych bezpośrednio na badanym elemencie w trakcie pracy instalacji. Wyniki pomiarów przedstawiono w postaci zobrazowań typu A (rys. 8a), zobrazowań B z obszarami rozwarstwień (rys. 8b) i zobrazowań C w postaci mapy amplitudy ech ultradźwiękowych otrzymywanych od rozwarstwień (rys. 8 c). Zobrazowanie typu C wykonano na długości 280mm. a) b) rozwarstwienia c) Rys. 8. Wyniki pomiarów rozwarstwień elementu rurociągu 30 pomiary bezpośrednio na instalacji: zobrazowanie typu A a), zobrazowanie typu B z obszarami rozwarstwień b), zobrazowanie typu C amplitudowe na długości 280mm c)
Wyniki pomiarów na pracującym rurociągu porównano z wynikami pomiarów na pobranych wycinkach uzyskując pełną zbieżność pod kątem lokalizacji występujących defektów jak i ich charakteru. Potwierdzono skuteczność i użyteczność metody do lokalizacji i oceny wielkości rozwarstwień. Szczególna uwagę zwraca również szybkość wykonania badań i analizy wyników w porównaniu z tradycyjnymi technikami ultradźwiękowymi. Wyniki pomiarów wykonane na jednym z wycinków przedstawiono na rysunku 9. Rys. 9. Wyniki pomiarów rozwarstwień elementu rurociągu 30 wraz ze zobrazowaniem typu B występujących rozwarstwień 4. Podsumowanie W niniejszym artykule potwierdzono skuteczność i wygodę badań ultradźwiękowych z zastosowaniem głowic wieloprzetwornikowych w wykrywaniu i weryfikowaniu nieciągłości materiałów konstrukcyjnych. Metoda Phased Array poprzez szersze możliwości analizy i wizualizacji wyników pomiarów okazuje się bardziej skuteczna i szybsza w porównaniu z tradycyjnymi pomiarami ultradźwiękowymi. Nieocenioną zaletą pomiarów jest możliwość wykrywania wad materiału w trybie zobrazowania typu B, który jest niewątpliwie bardziej przyjazny dla operatora w porównaniu z dostępnym zobrazowaniem typu A przy pomiarach tradycyjnych. Należy zaznaczyć, że oprogramowanie systemu Phased Array umożliwia wykonanie badań uzyskują zobrazowanie typu C w trybie on-line. Pomiary wykonane za pomocą systemu ultradźwiękowego wykorzystującego głowice ultradźwiękowe są znacznie mniej obarczone błędem związanym z obsługą operatora, co nie zwalnia go jednak z rzetelności wykonywania badania.
5. Literatura 1. Dobrosiewicz J.: Przydatność elementów kotłów po przekroczeniu obliczeniowego czasu pracy. Energetyka (1983)8, s. 11-15 2. Kwapisz D.: Ocena trwałości materiału kadłubów pracujących turbin parowych na podstawie metalograficznych badań nieniszczących. Energetyka (1983)11, s. 435-437 3. Grzegorzewska K.: Ocena trwałości długo eksploatowanego rurociągu parowego ze stali 15HM na postawie nieniszczących badań materiałoznawczych. Energetyka (1986)1, s. 3537 4. Seyna F.: Warunki długotrwałej bezpiecznej eksploatacji rurociągów parowych. Energetyka (1987)6, s. 214-217 1. Milewski M., Seyna F.: Nieniszczące badania struktury stali elementów ciśnieniowych eksploatowanych w warunkach pełzania. Energetyka (1989)5, s. 183-185 2. Erhard A., Schenk, Hauser Th. Völz U., New Applications using phased array techniques, Nuclear Engineering ana Design, 2001, 206, s. 325-336 3. Drinkwater B.W., Wilcox P.D., Ultrasonic arrays for nondestructive evaluation: A review, NDT&E International, 2006, 39, s. 525-541 4. Azar L., Shi Y., Wooh S.C., Beam focusing behavior of linear phased arrays, NDT&E International, 2000, 33, s. 189-198 5. Lilliehorn T. Johansson S., Fabrication of multilayer 2D ultrasonic transducer microarrays by green machining, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004, 14, s. 702709 6. R/D Tech, Introduction to Phased Array ultrasonic technology applications, 2004 7. Song S-J., Shin H.J., Jang Y.H., Development of an ultrasonic phased array system for nondestructive tests of nuclear power plant components, Nuclear Engineering ana Design, 2002, 214, s. 151-161