Обзор новых международных стандартов на применение ЦФА (TFM)
ЦФА «СОЗРЕЛО»
Существует понятие об уровнях зрелости технологий (technology readiness level — TRL), которое описывает переход технологии от уровня TRL 1. “Сформулирована фундаментальная концепция технологии” до уровня TRL 9. “Изделие удовлетворяет всем требованиям: инженерным, производственным, эксплуатационным, по качеству и надежности.”
Вот и технология Total Focusing Method, она же цифровая фокусировка антенны (ЦФА), она же комбинационный SAFT, она же IWEX, она же Sampled Phased Arrays (SPA) из экзотического и оспариваемого алгоритма превратилась в стандартизованный.
Хотя, справедливости ради, первая в России методика с применением ЦФА “Методика ультразвукового контроля композитных сварных соединений приварки патрубков уравнительных трубопроводов, приварки патрубков впрыска компенсаторов давления и приварки патрубков САОЗ корпуса реактора ВВЭР-440 к переходной втулке с применением технологии фазированных решёток”, была внедрена еще в 2012 году.
Дефектоскоп АВГУР-АРТ, который реализовывал эту методику с самого начала был нацелен на примение ЦФА и лишь затем была освоена технология ФР.
В начале 2021 года вышли два стандарта по применению TFM в ультразвуковом неразрушающем контроле:
- ISO 23865:2021. Non-destructive testing — Ultrasonic testing — General use of full matrix capture/total focusing technique (FMC/TFM) and related technologies
- ISO 23864:2021. Non‐destructive testing of welds — Ultrasonic testing — Use of automated total focusing technique (TFM) and related technologies
Ниже я расскажу о некоторых особенностях этих стандартов и о том, как в дефектоскопе АВГУР-АРТ реализованы требования указанных стандартов.
Дальнейшее предназначено для специалистов, которые уже знают, что такое ультразвуковая фазированная решетка и что такое метод цифровой фокусировки антенны.
Желающие узнать основы ЦФА/TFM адресуются, например к публикациям и презентациям:
- Разработка алгоритмов для ультразвуковой дефектометрии с применением антенных решёток [pdf]
- Сопоставление возможностей приборов ультразвукового неразрушающего контроля, использующих антенные решетки и фазированные антенные решётки [pdf]
ISO 23865:2021 — Ультразвуковой контроль/ Общие принципы применения TFM и аналогичных способов контроля
Стандарт в основном применяется на изотропных материалах, но даны рекомендации и по применению на анизотропных материалах типа аустенитной стали или при анизотропии проката.
В любом случае контроль должен проводиться по специально разработанной методике.
На уровень стандарта выведено обозначение схем контроля, которое разработчики по факту уже давно стали применять:
- L — L: излучение и приём продольной волны
- T — T: излучение и приём поперечной волны
- TT — T: излучение поперечной, отражение от дна поперечной и приём поперечной волны (в России разных публикациях это называлось “нечетный SAFT”, “треугольная схема”, “задонные” импульсы)
- TT — TT: излучение и прием поперечной волны с отражением от дна
- и т.д.
Прямо в стандарте указано что в силу принципа взаимности (T — TT) и (TT — T) это одно и то же, то есть излучатели с приёмниками спокойно можно менять местами.
Проводится сравнение и сопоставление между TFM и традиционным применением фазированных решеток.
Важно что для сбора исходных данных допускается применять не только полный перебор всех комбинаций излучатель-приёмник (классический FMC), но и упрощенный вариант, такой как PWI (излучение ограниченного набора плоских волн под разными углами).
Интересно, что подразумевается, что в спецификации (как это по-русски назвать — в документации на изделие?) должны быть оговорены вопросы связанные не только с критериями оценки оценки качества, но и с принципами образмеривания дефектов.
В требованиях к персоналу указано, что помимо обычной сертификации на ультразвуковой метод (например по ISO 9712) требуется дополнительная тренировка с применением TFM дефектоскопов на реальных или реалистичных дефектах.
Среди требований к оборудованию:
- Верхняя полоса частот приемного тракта должна быть в два раза выше центральной частоты преобразователя (это значит, что для применения 10 МГц ФР потребуется чтобы верхняя полоса частот была не менее 20 МГц)
- Частота АЦП должна быть в 5 раз выше чем центральная частота ФР. А при использовании алгоритмического увеличения частоты АЦП исходная частота должна быть не менее чем в 3 раза выше чем верхняя граница полосы пропускания ФР. Таким образом для широко применяемых антенных решеток на 5 МГц частота АЦП должна быть установлена как 25 МГц в первом случае и примерно 24 МГц во втором случае. То есть одно и то же значение.
Один из принципиальных моментов, который оговорен в стандарте и это очень важно: принцип выбор шагов в получаемом изображении. Этому посвящено отдельное приложение С.
Понятно, что чем крупнее шаг, тем быстрее выполняется получение изображений, но тем выше ошибка измерения амплитуды сигнала от модели дефекта или реального дефекта.
В очередной раз проговаривается, что фокусировка для антенной решетки, в том числе и в режиме ЦФА возможна в пределах ближней зоны, определяемой ее активной апертурой. Я не так давно наблюдал альтернативное и неправильное на мой взгляд толкование этого понятия (доклад С1 на УЗДМ-2019).
Рекомендованное значение pitch для антенных решеток представляется заниженным и составляет половину длины волны в призме. С этим никак нельзя согласиться. На практике для призмы из рексолита (скорость продольной волны 2,33 мм/мкс) и частоты 5 МГц для фазированной решетки с pitch 1 мм никаких проблем не возникает, а в то же время длина волны в рексолите лишь 0,46 мм.
Максимально допустимое число убитых элементов решётки — один на каждые 16 и не допускаются чтобы убитыми были соседние элементы.
Из требований к сканированию — приведены рекомендуемые значения шагов сканирования в зависимости от толщины. Так для толщин до 6 мм рекомендован шаг 0,5 мм, от 6 до 10 мм шаг 1 мм, для толщин от 10 до 150 мм шаг 2 мм. Тут хочется обратить внимание любителей задавать шаг 1 мм при контроле сварных швов толщиной 40 мм. Перебор, товарищи!
Методы образмеривания хорошо знакомы тем, кто давно имеет дело с голографическими изображениями, подчеркивающими сигналы дифракции на кончиках дефектов:
- образмеривание принимая во внимание изображения, сформированные волнами дифракции
- образмеривание с отсечкой относительно максимума изображения индикации
О схемах контроля с учетом отражения от донной поверхности указано вкратце, что их следует выбирать исходя из близости углов падения/отражения на дефект к нормали, также с учетом трансформации типа волы. Для оперативной проверки эффективно использовать
Выравнивание чувствительности при этом предлагается делать по боковым отверстиям диаметром 3 мм. Причем, важно, что допускается использовать для выравнивания математическое моделирование. Такое моделирование встраивалось в программное обеспечение АВГУР в виде технологии ФАР-АРД [pdf] и пространственной регулировки чувствительности (ПРЧ).
Даны рекомендации по количеству боковых отверстий в зависимости от толщины. Для толщин до 40 мм рекомендуется всего три отверстия.
При этом для схем с трансформациями типа волны, отражениям о дна такую настройку требуется проводить отдельно.
И тут, ура, разработчики стандарта допускают привязываться при анализе изображений к сигналам геометрии или к уровню шумов в объекте контроля. Такая идея была заложена в голографических системах АВГУР с самого начала, с 1990-х [pdf].
При этом для эксплуатационного контроля требуется подтверждение эффективности контроля на образцах, содержащих естественные дефекты.
В требованиях к верификации указана необходимость:
- Подтвердить выявляемость во всей зоне контроля
- Подтвердить погрешность измерений размеров дефектов
Стандарт допускает контроль по покрашенной поверхности, но, конечно при условии что будут использованы настроечные образцы с таким же покрытием. Мне стоило большого труда убедить в своё время подрядчика на стройке Турецкого потока, что так делать можно.
Отдельного оговорен очень важный вопрос о хранении исходных А-сканов. Прямо указано, что объем данных очень большой и их хранить не обязательно. При этом хранить надо полученные из А-сканов изображения вместе с параметрами обработки (это выполняется в системах АВГУР, все данные хранятся в базе данных).
О проверке качества собранных данных:
- Разработчики подумали о недопустимости зашкалов (выхода за пределы динамического дипазона) в получаемых изображениях в случае если образмеривание выполняется по отсечке от максимума изображения дефекта. В программное обеспечение АВГУР встроен механизм деклиппирования зашкаленных данных [pdf].
- Допускается не более 5% пропущенных слоев данных, но не более 1 слоя подряд. В программное обеспечение АВГУР встроена автоматическая обработка, проверяющая качество данных
В главе 15 Даны рекомендации как бороться с мешающими факторами:
- Отклонение толщины стенок от номинальной (выполнять адаптивный постпроцессинг)
- Наличие анизотропии из-за направления проката (выбирать углы, при которых анизотропия минимальна, применять алгоритмы восстановления, учитывающие угловую зависимость скорости звука
- Чрезмерное большое затухание (можно использовать более чем один элемент при излучении), конечно такие режимы поддерживаются в дефектоскопах АВГУР, просто выбором подходящей матрицы коммутации элементов
- Изменение скорости звука из-за температурного влияния может быть скорректировано при постобработке
В целом делается справедливый вывод, что за счет возможности постпроцессинга технология TFM/ЦФА позволяет получить более достоверный результат ультразвукового контроля чем технологии не имеющие такой постобработки.
В приложении А делается сопоставление технологии обычных ФР и ЦФА. В целом выводы соответствуют подобному обзору, сделанном нами [pdf] и коллегами из АКС [pdf].
Повторим еще раз преимущества ЦФА:
- сплошная фокусировка
- более точное описание контуров дефектов за счет множества индивидуальных схем распространения ультразвуковых волн
- возможность постпроцессинга
- уменьшение мёртвой зоны
- возможность учитывать форму наружной поверхности при иммерсионном контроле (технология ATFM) (реализована в дефектоскопах АВГУР-АРТ [pdf])
К недостаткам (конечно, временным, учитывая прогресс цифровой техники) ЦФА можно отнести:
- существенно больший объем исходных данных
- малое количество учебных материалов
В приложении В описываются вариации применяемого метода сбора и обработки данных:
- Использование лишь половины всех комбинаций излучатель-приемник, точнее получение 0.5*N*N + N А-сканов (HMC)
- Использование только диагональных элементов матрицы коммутации (SAFT)
- Применение прореженной матрицы коммутации
- Излучение плоских волн (PWI) для экономии времени на сбор и обработку данных [pdf]
- Применение виртуальных источников, когда решетка разбивается на подрешетки, каждая из которых излучает сфокусированное на небольшую глубину поле, такой метод позволяет контролировать шумные материалы
Насколько мне известно впервые на уровне стандарта упомянута возможность применения сложных сигналов для контроля объектов с большим затуханием. Мы с упорством маньяка включаем возможность излучения сложных сигналов во все наши системы АВГУР.
Значительную ценность представляют приведенные примеры изображений различных дефектов сварных швов и основного металла, включая дефекты наводораживания, коррозионный износ.
Сам стандарт подготовлен с явным участием разработчиков из Eddyfi (бывшие M2M).
ISO 23864:2021 — Ультразвуковой контроль. Применение TFM для автоматизированного ультразвукового контроля сварных швов
Само устройство стандарта похоже на ISO 13588. Non-destructive testing of welds — Ultrasonic testing — Use of automated phased array technology,
Точно также в нем описываются уровни контроля (понятие, которому сложно найти аналог в отечественных ГОСТ). Уровни контроля отвечают вероятности выявления дефектов за счет увеличения схем прозвучивания, так уровень А предполагает контроль лишь на прямом луче, а уровень В — на прямом и отраженном, уровень С — еще и с добавлением схем контроля, ориентированных на выявление плоскостных дефектов по границам сплавления.
Причем для уровня С необходимо в методике контроля представить схемы прозвучивания. Для этого в программное обеспечение АВГУР встроен редактор схем контроля.
Любопытно, что не обозначено ограничений, возникающих при попытке визуализировать данные, полученные при применении продольной волны с отражением от донной поверхности просто продлением области восстановления изображения. Дело в том, что такие данные требуют особой интерпретации, принимая во внимание трансформированные на донной поверхности волны из продольных в поперечные.
Стандарт не распространяется на анизотропные материалы типа аустенитной стали и на сложные швы типа угловых и с неполным проплавлением. В то же время в разделе 17 приведены требования к контролю швов из аустенитной стали.
В отношении выбора сетки для получения изображений рекомендовано применять метод из ISO 23865. В требованиях к фазированным решеткам также повторены рекомендации ISO 23865.
В том что касается сканирующих устройств, отмечено, что требования к позиционированию относительно сварного шва не такие высокие как для других методов (подразумевая в первую очередь зональный контроль).
Однако методика контроля должна отражать пределы отклонения положения датчиков и необходимо показать влияние этих отклонений на настроечных образцах.
Оговорено что в зависимости от конструкции объекта контроля применяются системы со сканированием вдоль шва или вдоль и поперек шва. Системы АВГУР включают как однокоординатные, так и двухкоординатные сканеры для автоматизированного контроля.
Зона контроля для сварных швов труб толщиной более 8 мм должна включать околошовную зону 10 мм на сторону. Что несколько облегчает задачу в сравнении с 20 мм для швов толщиной более 20 мм в российской практике.
Для образмеривания дефектов могут быть использованы как амплитудные методы (по данные полученные при зеркальном отражении от плоскостного дефекта) так и методы на основе анализа дифрагированных сигналов.
В случае применения амплитудного метода необходимо обеспечивать угол падения/отражения на дефект близкий к нормальному.
В общем для образмеривания вертикально ориентированных дефектов рекомендуется применять схему с нечетным числом отражений от дна (например T-TT).
В таблице 3 приведены рекомендуемые схемы получения изображения в зависимости от типа и местоположения дефекта для швов с узкой и широкой разделкой.
- Для анализа данных в корне шва, провисания корня шва, рекомендовано применение раздельной схемы регистрации данных с решетками, расположенными по обе стороны от шва. (пример реализации в нашей статье)
- Для выявления подповерхностных дефектов допускается применять схемы с головными волнами, необходимо только обосновать что выбранная конструкция призмы позволяет возбуждать головные волны
Интересная идея предложена со схемами контроля антенной решеткой, устанавливаемой на удалённый валик усиления, и с применением нескольких схем прозвучивания (в тексте стандарта названо Top scanning).
Здесь есть сомнения в эффективности — неясно как сделать демпфер/ловушку для сигналов, которые продолжают бегать в задержке.
Сделана оговорка о том, что при контроле разнотолщинных изделий, сложных сварных швов типа вварки уровень контроля должен быть D, а преимущество ЦФА состоит в возможности учитывать изменяющуюся геометрию при онлайн- или постобработке.
Как и в других стандартах на контроль сварных швов оговорено, что необходимо проводить контроль основного металла, в первую очередь на наличие расслоений, которые могут затруднить контроль самих сварных швов.
При проверке настроек необходимо чтобы отношение сигнал/шум для всех областей изображения по контрольным отражателям составлял не менее 12 дБ. Метод измерения отношения сигнал/шум должен быть описан в методике контроля. В программное обеспечение АВГУР-Анализ встроен модуль расчета отношения сигнал/шум.
Важное дополнение в отношении ЦФА это разрешение проводить настройку области изображения и чувствительности непосредственно на объекте контроля, но только для уровня качества А.
Допускается не хранить исходные А-сканы, но изображения с указанием параметров получения изображения.
Периодическая проверка настроек может проводиться как на исходном настроечном образце, так и на неком другом образце с известными характеристиками. Что звучит довольно либерально.
Требуется также ежедневная проверка функционирования аппаратуры в целом без уточнения критериев функционирования.
Требования к верификации достаточно простые: только для уровня качества D требуется подтвердить выявление и образмеривание отражателей в настроечных образцах во всей области контроля.
Об оценке качества собранных данных указано, что проверять следует качество акустического контакта, область восстановления изображений, чувствительность, отношение сигнал/шум, отсутствие насыщения и пропусков данных.
Все это требует от оператора особых знаний, полученных и проверенных в ходе обучения.
Оценка качества. Допускается выполнять оценку качества по амплитудным или размерным критериям.
При образмеривании по сигналам дифракции допускается определение высоты по:
- сигналам дифракции от верха и низа несплошности
- одному дифракционному и одному зеркальному сигналу от несплошности
- одному дифракционному сигналу и известной толщине стенки
- одному дифракционному сигналу вблизи наружной поверхности
При отсутствии возможности выделить сигналы дифракции допускается применение различных способов образмеривания, основанных на амплитудах (ВРЧ, АРД, условная высота по уровню 6 дБ и проч).
Среди требований к содержанию заключения по результатам контроля добавлена специфика применения ЦФА:
- размеры и шаги области восстановления изображения
- результаты проверки разрешения, покрытия и сетки в соответствии приложением С из ISO 23865
В разделе 17 приведен порядок применения данного стандарта при проведении АУЗК аустенитных сварных швов:
- применяется высший уровень контроля – D, требующий разработки методики контроля, сложных настроечных образцов
- обеспечивается применение способов контроля приложения А из ISO 22825:2017
- настройки, настроечные образцы должны соответствовать ISO 22825:2017. Допускается применять моделирование для обоснования. Здесь мы сталкиваемся с правомочностью применения моделирования для зернистых и анизотропных материалов
- соблюдаются общие принципы изложенные в ISO 22825:2017:
- Если свойства материала позволяют обеспечить отношение сигнал/шум не менее 12 дБ, допускается применять по тем же правилам что и контроль перлитных сталей
- Для материалов с большим зерном применяются только продольные волны при прохождении через наплавленный металл
- В случае отношения сигнал/шум менее 6 дБ должна быть рассмотрена возможность применить другие методы НК
- Влияние анизотропии на определение положения и размеров отражателей должно быть описано
- рекомендовано использовать схемы с трансформацией типа волны типа TL-L
Предложены конструкции настроечных образцов в зависимости от уровня контроля с применением боковых отверстий, в общем-то повторяющие требования ISO 13588, интересным новшеством можно назвать рекомендованную конструкцию настроечного образца для контроля труб толщиной от 2.5 до 8 мм.
Сам стандарт подготовлен с явным участием разработчиков из Applus RTD (во всяком случае приложение, включающее характерные изображения типичных дефектов сварных швов, полученные ЦФА и сравненные с результатами металлографии).
Вывод
Технология ЦФА стандартизована. Подготовлены стандарты, имеющие черты научного исследования и оставляющие простор для творчества разработчикам оборудования и методик контроля.
Дефектоскоп АВГУР-АРТ поддерживает основные положения новых стандартов и ждёт зубодробительных задач области ультразвукового контроля.
Спасибо за внимание!
ndtpm 