Современные технологии автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений магистральных газопроводов при строительстве, ремонте и эксплуатации

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ, РЕМОНТЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

УДК 620.179.16

Д.С. Тихонов, к.т.н., ООО «Научно-производственный центр неразрушающего контроля «ЭХО+» (Москва, РФ), dtikh@echopius.ru

В статье описываются современные методы автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений магистральных газопроводов. Они позволяют решать широкий спектр практических задач - от выявления малых дефектов на фоне структурных помех металла до дифракционной дефектометрии в толстостенных объектах контроля.

Реализация трехмерного метода когерентного восстановления изображений позволила полностью решить задачу контроля поднакладочного сварного соединения тройников сварных с накладками. Задача осложнена ограниченностью доступа к сварному соединению, а также наличием влияния сварных соединений накладки в области контроля. Решить задачу на требуемом уровне чувствительности традиционными методами невозможно. В статье рассмотрены технология автоматизированного контроля таких объектов, результаты аттестационных и практических испытаний.

Сочетание различных методов получения визуальных данных позволило совместить производительность, качество и полную документированность контроля. Примером служит новая система АВГУР-ТФ, успешно прошедшая аттестационные испытания во ВНИИГАЗ в 2017 г. В ней используются методы фазирования антенных решеток, многозонального контроля по схеме «тандем», дифракционно-временной, а также метод цифровой фокусировки антенны. В процессе контроля первые три метода используются одновременно, при этом сохраняется высокая скорость сканирования.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ, ФАЗИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ, МНОГОЗОНАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ, ТАНДЕМ, ДИФРАКЦИОННО-ВРЕМЕННОЙ МЕТОД, ЦИФРОВАЯ ФОКУСИРОВКА АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ, СВАРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ, МАГИСТРАЛЬНЫЙ ГАЗОПРОВОД, ТРОЙНИКИ СВАРНЫЕ С УСИЛИВАЮЩИМИ НАКЛАДКАМИ, ПОДНАКЛАДОЧНОЕ СВАРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ.

Применение средств автоматизации ультразвукового контроля (УЗК) в процессе сбора данных и последующей их обработки не только снижает влияние субъективного фактора на результат контроля, но и увеличивает информационную составляющую, выводит на новый уровень возможности решения задач обнаружения и классификации дефектов. Эти методы обработки и представления данных УЗК позволяют определять размеры, ориентацию, профиль, местоположение, характер несплошностей, свойства среды в области неоднородности, скорость звука, плотность, затухание и т. п., а также фиксировать

изменения этих параметров во времени.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДАННЫХ УЗК

Простейшие методы визуализации данных автоматизированного УЗК (АУЗК) - некогерентные способы растровой записи эхо-сигналов. К ним можно отнести и вари -ации дифракционно-временного метода контроля (от англ. Time of Flight Diffraction - TOFD).

Следующий уровень сложности -алгоритмы когерентной обработки данных для сканирующих одноэлементных преобразователей. Механическое синтезирование пространственной апертуры вы-

полняется в целях преобразования данных в двух- и трехмерные изображения с использованием алгоритмов Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) [1, 2], метода проекции в спектральном пространстве(ПСП)[3] и их вари-аций: 2D-SAFT (2D-ncn) и 3D-SAFT (3D-ncn), Multi-SAFT.

Появление многоканальных систем и многоэлементных преобразователей позволило реализовать методы динамической аппаратной фокусировки антенных решеток и матриц (2D- и 3D-фо-кусировка).

Наиболее технологически сложной и информативной является группа методов, реализующая

идею цифровой фокусировки многоэлементных антенн (ЦФА). Для ЦФА используются эхо-сигналы, полученные от комбинаций пар элементов «излучатель -приемник» для последующей когерентной обработки методом комбинационного SAFT (С-SAFT) [4, 5]. Преимуществом его является возможность применения для сканирующих антенных решеток для когерентного совмещения механического и электронного синтезирования апертуры антенны. Это позволяет достичь наилучших показателей качества изображения как по разрешающей способности, так и по отношению сигнал/шум. Такая пространственная обработка может проводиться вдоль одной из осей сканирования (ЦФА-X, ЦФА-Y) -она обозначается как 2D-ЦФА - и двумерно по обеим осям (3Э-ЦФА или ЦФА-XY). Использование метода C-SAFT для учета влияния границ объекта контроля, многосхемных и многомодовых вариантов распространения ультразвуковых волн, а также преобразования типов волн при их отражении от границ (методы Multi-ЦФА) позволяет достичь предельного для современного актуального оборудования качества изображения дефектов.

НЕКОГЕРЕНТНЫЕ И КОГЕРЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДЕФЕКТОВ

Некогерентные и когерентные методы визуализации дефектов применяются в системах АУЗК с различными сканирующими устройствами и предназначены для обнаружения и измерения параметров дефектов в металлических конструкциях и сварных швах технологического оборудования, в том числе труб различного диаметра и толщины, выполненных из сталей перлитного, аустенитно-го классов и других материалов. Параметры дефектов при этом определяются по изображениям, полученным после компьютерной обработки исходных данных

чг ф

_ »-чг лрв V rf* У

кг .-л у уотГ.) 41,»  -у ; ., г ^

а)

Сигналы от неровностей ива усиливающей накпадни

б)

Рис. 1. Результат восстановления изображения отражателей методом 3D-ПСП в испытательном образце с сегментными отражателями в корне поднакладочного шва: а) сканирующее устройство на патрубке ТСН толщиной 24 мм; б) суммарная проекция всех слоев результирующего изображения некоторых дефектов образца

контроля. Это позволяет реализовать подлинный измерительный режим в УЗК, обеспечивающий получение реальных размеров дефектов. Указанные методы являются наиболее эффективными из всех практически применяемых в настоящее время для решения задач контроля толстостенных объектов, в том числе из аусте-нитных сталей, задач контроля областей существенно удаленных от области сканирования и пр.

С использованием метода 3D-SAFT (3Э-ПСП) стало возможным решение сложной для УЗК задачи контроля внутреннего поднакладочного сварного соединения «патрубок - обечайка» тройников сварных с усиливающими накладками (ТСН). Применение традиционных методов контроля внутреннего сварного соединения «патрубок - обечайка» тройника, установленного в газопровод, невозможно из-за наличия усиливающей накладки на патрубке и воротника на обечайке тройника, которые ограничивают доступ к этому сварному соединению. Для достижения требуемого уров-

ня чувствительности и высокой разрешающей способности при контроле внутреннего сварного соединения «патрубок - обечайка» предложен метод, основанный на эффекте распространения звука с многократным отражением от параллельных границ. Исходные эхосигналы фиксируются на поверхности патрубка по большой двухмерной апертуре с точностью позиционирования преобразователя не менее чем 0,1 мм на значительном (более 300 мм) удалении от сварного соединения и затем обрабатываются алгоритмом 3D-ПСП. Полученные в результате обработки изображения отражателей имеют высокий уровень полезного сигнала, высокую разрешающую способность для определения протяженности несплошностей и высокое отношение сигнал/шум.

ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ

На рис. 1а, б показано размеще -ние сканирующего устройства на патрубке ТСН толщиной 24 мм. Диаметр патрубка - 1020 мм, диаметр обечайки - 1400 мм. В образце

Рис. 2. Сканер системы АВГУР-ТФ, установленный на трубу диаметром 720 мм

были выполнены искусственные дефекты в виде сегментных отражателей высотой до 4 мм и боко -вых цилиндрических (0 3 и 0 4 мм протяженностью 14 и 26 мм) и плоскодонных отверстий (7 мм2) в разных частях сварного соединения: по границе сплавления шва «патрубок - обечайка», в области корня этого шва и по границе сплавления сварного соединения «патрубок - обечайка». На этом же рисунке показана суммарная проекция всех слоев результирующего изображения некоторых дефектов образца.

Испытания системы АВГУР-Т, реализующей данную методику, на большом количестве образцов с различными типами дефектов показали, что дефекты в виде сегментных отражателей высотой более 10 % толщины патрубка и

протяженностью более 15 мм надежно выявляются при отношении сигнал/шум более 12 дБ. Также установлено, что измерение протяженности такого рода дефектов вдоль оси сварного соединения возможно с погрешностью, не превышающей 3 мм. По результатам испытаний система АВГУР-Т и технология проведения контроля с ее помощью внесены в сводные реестры оборудования и аттестованных технологий,соответствующих техническим требованиям ОАО «Газпром» при выполнении работ по диагностике.

МЕТОДЫ ПРИМЕНЕНИЯ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Применение сочетания различных методов получения визуальных данных позволило совместить производительность, высокое качество и полную документированного контроля. Примером такого совмещения служит новая система АВГУР-ТФ. В целях создания высокопроизводительной и максимально информативной системы контроля реализованы эхо-и теневой методы ультразвукового контроля с использованием технологий фазированных антенных решеток (ФАР), зональной фокусировки ФАР, ЦФА, а также метод TOFD.

Система представляет собой соединение TOFD-модуля с многоканальным ФАР- и ЦФА-дефек-тоскопом. Система дополняется однокоординатным сканером, обеспечивающим быстрое кольцевое сканирование преобразователей вокруг трубы вдоль свар -ного соединения (рис. 2). Система предназначена для проведения АУЗК кольцевых сварных соединений и основного металла трубо -проводов в процессе их монтажа и при эксплуатации с измерением координат и размеров дефектов, а также амплитуд сигналов от них. Внешний диаметр сварных соединений - от 108 мм до плоскости. Толщина сварных соединений - от 5 до 80 мм. Материал свариваемых деталей: стали углеродистые, низколегированные, низколегированные теплоустойчивые, а также стали мартенситно-фер-ритного, аустенитного и аустенит-но-ферритного классов.

В процессе сканирования на экран выводится следующая информация (рис. 3): регистрируемые данные контроля по всем акустическим каналам, информация об акустическом контакте и информация о текущей координате сканирующего устройства.

ОТЛАДКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ

Для отладки метода контроля на первом этапе испытаний был изготовлен образец кольцевого сварного соединения диаметром 720 мм и толщиной 25 мм, в кото -рый были внесены различные технологические дефекты. Разделка сварного соединения - V-образ-ная с углом наклона кромок 20°. В процессе заводских испытаний было проведено сопоставление данных АУЗК методами ФР и ТОГО с данными рентгенографического контроля. Результаты показали, что комбинация ФР и ТОГО обеспечивает выявляемость дефектов, превышающую возможности рентгенографического контроля.

В 2017 г. на территории Опытно-экспериментального центра ООО «Газпром ВНИИГАЗ» были

Рис. 3. Регистрация данных

газовая промышленность ремонт и диагностика

Спецвыпуск № 3

проведены квалификационные испытания системы АВГУР-ТФ в соответствии с СТО Газпром 2-3.5046-2006 [6]. Изготовлены «слепые» образцы кольцевых сварных соединений с разделками, имеющими углы наклона кромок от 5°, технологическими дефектами сварки разных типов, размеров в соответствии с требованиями СТО Газпром 2-2.4-083-2006 [7]. Из них пять образцов диаметром 1420 мм, толщиной 25,8 мм и че -

тыре образца диаметром 720 мм, толщиной 9 мм. При проведении испытаний были выполнены проверка повторяемости результатов контроля, проверка стабильности настроечных параметров, проверка срабатывания сигнализации потери акустического контакта, проверка выявляемости и оценка погрешности измерения параметров дефектов.

В результате испытаний были выявлены все заложенные недо-

пустимые дефекты, погрешности определения протяженности дефектов не превысили значения 3 мм, а погрешность определения высоты дефектов не превысила 1 мм. Подтверждено назначение системы для проведения АУЗК качества сварных соединений труб сухопутных участков магистральных газопроводов в соответствии с действующими нормативными документами ПАО «Газпром» по неразрушающему контролю.

ЛИТЕРАТУРА

1. Осетров А.В. Теория пространственно-временной дифракционной томографии при сканировании одиночного приемоизлучателя по плоскости // Акустический журнал. 1991. Т. 37. № 3. С. 528-534.

2. Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. М: Мир, 1970. 364 с.

3. Бадалян В.Г., Базулин Е.Г. Цифровое восстановление изображения рассеивателей методом проекции в спектральном пространстве // Акустический журнал. 1988. Т. 34. № 2. С. 222-231.

4. Ковалев А.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А. и др. Импульсный эхо-метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция // Дефектоскопия. 1990. № 2. С. 29-41.

5. Базулин Е.Г. Восстановление изображения дефектов методом C-SAFT по эхосигналам, измеренным антенной матрицей в режиме тройного сканирования // Дефектоскопия. 2012. №1. С. 3-19.

6. СТО Газпром 2-3.5-046-2006. Документы нормативные для проектирования, строительства и эксплуатации объектов ОАО «Газпром». Порядок экспертизы технических условий на оборудование и материалы, аттестации технологий и оценки готовности организаций к выполнению работ по диагностике и ремонту объектов транспорта газа ОАО «Газпром» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/ document/437188506 (дата обращения: 28.08.2018).

7. СТО Газпром 2-2.4-083-2006. Инструкция по неразрушающим методам контроля качества сварных соединений при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://standartgost.ru/id/1072446 (дата обращения: 28.08.2018).

ООО «Научно-производственный центр неразрушающего контроля «ЭХО+»

Высокая производительность автоматизированного ¿^г ультразвукового контроля и надежная оценка

качества сварных швов при монтаже и эксплуатации

Уникальные объекты

Проверка Контроль соответствия Выдача сварных швов нормам заключения

Магистральные газопроводы

О*

О —"1

АВГ

Замена радиографии на ультразвук

Технологии фазированных решеток, цифровой фокусировки антенны и ТОРБ, объединенные в одной системе контроля

на правах рекламы

echo@echoplus.ru Подробнее но сайте: www.echoplus.ru