Дифракционно-временной метод УЗК, TOFD

1. Принципы и применение дифракционно-временного метода УЗК

Программа повышенной
подготовки по НК,
ноябрь 2001
[email protected] • www.rd-tech.com

2. ДИФРАКЦИОННО-ВРЕМЕННОЙ МЕТОД

Явление дифракции
Стандартное использование дифракции
Принципы TOFD
Практическое применение
Коды и стандарты
Преимущества и недостатки TOFD
Исследование и разработка
Техническое решение
Демонстрация

3. Явление дифракции

Падающая волна
Дифрагированная волна
Отраженная волна
Трещина
Дифрагированная волна

4. Явление дифракции

Принцип Гюйгенса:
Приходящая волна
вызывает вибрацию
объекта
Каждая точка
объекта выступает
как новый источник
сферических волн

5. Явление дифракции

Падающая волна
Дифрагированная волна
Отраженная волна
Трещина
Во всех
направлениях
Малая энергия
Зависящая от
Дифрагированная волна угла падения

6. Явление дифракции: резюме

Падающая волна отраженная волна
Падающая волна отраженные волны
излучаемые границами дефекта
Цилиндрические/сферические волны
излучаемые во всех направлениях
Амплитуда обычно от 10 до 20 дБ ниже
зеркального (направленного) отражения

7. Стандартное использование дифракции

Эхо-импульсный дифракционный метод
(метод наблюдения сопутствующего импульса)
ВРЕМЯ ПРОЛЕТА,
УГОЛ & СКОРОСТЬ
ВЫСОТА
Aмплитуда
1
Угол
2
Дифракция в вершине трещины
1
2
Прорезь или трещина
Время
Время пролета
Угловое отражение

8. Дифракционно-временной метод TOFD

Явление дифракции
Стандартное использование дифракции
Принципы TOFD
Практическое применение
Коды и стандарты
Преимущества и недостатки TOFD
Исследование и разработка
Техническое решение
Демонстрация

9. Принципы TOFD

Излучатель
Приемник
Головная волна
Верхний кончик
Нижний кончик
Отражение от донной поверхности

10. Принципы TOFD : основная установка

2 преобразователя (излучатель, приемник)
Широкий пучок, продольные волны
Симметрично центру шва
Головная волна (приповерхностная
продольная волна )
Донное отражение
Обнаружение дифрагированного сигнала
(высокая чувствительность приемника)

11. Принципы TOFD : сигналы в A-скане

Излучатель
Головная волна
Приемник
Отражение от донной поверхности
Головная волна
Верхний кончик Нижний кончик
Донный эхо-сигнал

12. Принципы TOFD : разность фаз

Головная волна
Отражение от донной поверхности
+
Головная волна
+
-
Донный эхо-сигнал
-
Верхний кончик Нижний кончик
Невыпрямленная развертка типа A необходима для того, чтобы показать изменения фаз

13. Принципы TOFD Измерение глубины трещины

Основано на:
Точные
измерения времени пролета
Простые тригонометрические уравнения
Выполняется с помощью программного
обеспечения TomoView

14. Принципы TOFD Измерение глубины трещины

S
S
Приемник
Излучатель
t0
t0
d
дирующий импульс
Головная волна
t
Донный эхо-сигнал

15. Принципы TOFD Измерение глубины трещины

S
S
Приемник
Излучатель
t0
t0
d
2. S d
t
c
2
2
2.t
0

16. Принципы TOFD Измерение глубины трещины

PCS
Излучатель
приемник
S
S
t0
t0
d
2.S
2.t0 t L
c
2.t0 t B 2
PCS 2.S
S
2
T
c
2
T
2 S T 2.S
c
tB tL
2
(расстояние между центрами
преобразователей)
2

17. Принципы TOFD Измерение глубины трещины

S
S
Приемник
Излучатель
t0
t0
d
2
c
2
2
d . t 2.t0 S
2

18. Принципы TOFD Измерение высоты дефекта

2S
Приемник
Излучатель
d1
d2
h d 2 d1
Поскольку для расчета высоты используются только измерения
времени распространения , возможно очень точное определение
размера по высоте. Фактически, на реальных трещинах достижима
точность1 мм (0.1 мм - на искусственных отражателях)

19. Принципы TOFD Определение характеристик дефекта

В большинстве случаев, нет увязки между
амплитудой и значимостью дефекта
Типичный рисунок волны для каждого типа
дефекта
Интерпретация изменений фаз
(Частичная) потеря и/или изменение головной
волны, донного эхо-сигнала : индикация для
поверхностных трещин.

20. Приповерхностная трещина

Излучатель
Головная волна блокирована
Приемник
Отражение от донной поверхности
Донный эхо-сигнал
Головной волны нет Вершина трещины

21. Удаленная от поверхности трещина

Излучатель
Головная волна
Приемник
Донный эхо-сигнал блокирован
Головная волна
Вершина
Нет донного эхосигнала

22. Горизонтальный плоский дефект (недостаток сплавления между валиками, расслоение)

Излучатель
Приемник
Головная волна
Отраженный сигнал
Отражение от донной поверхности
Головная волна
Отраженный сигнал
Донный эхо-сигнал

23. Принципы TOFD : краткие выводы

Два преобразователя, раздельно-совмещенная схема
расположения
Продольные волны
Головная волна (LW), донный эхо-сигнал (BW)
Дифрагированные волны от краев дефекта
Разность фаз между самым высоким и донным
сигналами
Глубина и высота дефекта определяются с высокой
точностью на основе расчетов времени пролета
Не базируется на амплитуде

24. Практическое применение

Универсальная установка
Критерии выбора преобразователей
Обработка и представление данных
Манипулятор
Типы сканирования

25. Практическое применение Общая установка

довый датчик положения (энкодер)
µTomoscan
Сварной шов
Сканер
Преобразователи УЗК
Магнитные колесики
Преобразователи
µTomoscan

26. Практическое применение Выбор преобразователя

Тип волны и угол распространения
Разрешение по временному интервалу
Характеристики пучка
Обобщенная таблица

27. Характер распространения

Продольные волны :
Самые быстрые волны, не требующие усилий в
интерпретации, нет путаницы с преобразованными
волнами (SW)
Взаимная зависимость между фазой сигнала и
зарождением сигнала (вершина , дно)
Более сильные дифрагированные сигналы

28. Угол ввода

Зависимость амплитуды генерированных
дифрагированных сигналов от угла ввода
Точность измерения высоты дефекта
Полнота охвата контролируемой зоны
Выбор
Зачастую 60 градусов является хорошим вариантом

29. Разрешение по временному интервалу

Измерения на основе времени пролета
Требование к коротким ультразвуковым
импульсам (важность оборудования УЗК
: эффективность возбуждения
преобразователя)
Более быстрый метод, чем стандартные
ультразвуковые исследования эхометодом

30. Характеристики пучка

Широкий пучок для обеспечения покрытия
объема контроля
Высокая частота небольшая апертура
преобразователя более низкая
чувствительность
Aпертура
Beam
Beam
Вариант

31. Таблица выбора преобразователя

Толщина
стенки
(мм)
Частота
(MГц)
Диаметр
(мм)
Угол
(°)
t 15
7.5 / 10 / 15
6
60 / 70
15 < t 35
7.5 / 10
6
60
35 < t 100 +
5
10
30 / 45 / 60

32. Практическое применение Обработка данных и визуальное отображение

Для обработки всех невыпрямленных
сигналов требуются компьютеры,
обладающие большой в мощностью
Для массового количества комплексных
сигналов требуется простой способ
визуализации данных
Для расчетов необходимы легкие в
использовании инструментальные
средства

33. Практическое применение Обработка данных и визуальное отображение

Очень большой массив данных
Необходимость информации о фазах

34. Практическое применение Обработка данных и визуальное отображение

Амплитуда
+
Белый
Время
-
Черный
Время
Одно изображение A-скана замещается одной зашифрованной серой строкой

35. Практическое применение Обработка данных и визуальное отображение

Головная волна
A-скан
B-скан
Приповерхностный
Донный эхо-сигнал

36. Практическое применение Обработка данных и визуальное отображение

37. Практическое применение Обработка данных и визуальное отображение

Глубина дефекта выражена сложным
математическим уравнением
Базовые инструментальные средства
необходимы для
Первоначальной
калибровки
Выполнения измерений глубины и высоты

38. Калибровка

PCS
Калибровка
t0
T
A-scan
t0
c
PCS- отдаление центра,
толщина,скорость звука ,
задержка преобразователя,
головная волна или время
пролета от донной
поверхности
Не все параметры могут быть
известны
LW
Донная поверхность
B-scan

39. Инструменты для измерений

A-scan
d1
h
d1
t1
t2
Курсоры
Встроенный калькулятор
l
t1,t2 d1, d2 и h вычисляются
автоматически
P
D-scan

40. Манипулятор

Кодовый датчик положения (энкодер)
Сварной шов
Очень простой в использовании
Магнитные колесики
Ручной (или механизированный)
Кодирование положения по
одной оси
Преобразователи УЗК
Магнитные колесики
В основном 2 преобразователя,
должен обладать возможностью
вмещать больше (PE)
Необходима легкая и точная
настройка расстояния между
преобразователями

41. Типы сканирования

Непараллельное , вдоль оси дефекта
Параллельное, поперек оси дефекта

42. Типы сканирования : непараллельное сканирование

Сварной шов
Непараллельное
сканирование
Перпендикулярно
направлению
зондирующего луча
Наиболее часто
применяется для
контроля
сварного шва
Обнаружение
Первоначальное
определение
размеров
Быстрый
контроль

43. Типы сканирования : непараллельное сканирование

Недостатки :
Измерение
глубины дефекта является
точным только когда преобразователи
симметрично расположены относительно
дефекта
Недостоверность
касательно поперечного
положения дефекта приводит к погрешности
определения высоты

44. Влияние недостоверности положения дефекта

S
S
Приемник
Излучатель
t0
t0
d
x

45. Влияние недостоверности положения дефекта

S
S
Приемник
Излучатель
t1
dmin dmax
t2
Годограф постоянного времени
(t1+t2=ct)
Фактически:
Максимальная погрешность по абсолютной глубине меньше, чем 10%
Погрешность при определении высоты на внутреннем (небольшом)
дефекте пренебрежимо мала.
Обратите внимание на небольшие дефекты, расположенные на донной
поверхности.

46. Параллельное сканирование

Сварной шов
Параллельное
сканирование
Параллельно
направлению
зондирующего
луча
Точное
определение
размера и
местоположения

47. Параллельное сканирование

Время пролета
будет
минимальным,
если
преобразователи
размещены
симметрично
относительно
дефекта
Приповерхностная
волна
Головная волна
Донная поверхность
B-scan
Этот тип сканирования дает типичную вывернутую параболу.

48. Параллельное сканирование : недостатки

Контроль сварного шва: усиление шва
часто сокращает или не позволяет
выполнить объем сканирования.

49. Практическое применение : резюме

Простая установка, облегченного типа
Высокая скорость контроля
L-волны, широкий пучок, ВЧ-преобразователи
Инструментальные средства для визуализации
и анализа данных
Два типа сканирования :непараллельное,
параллельное

50. Коды и стандарты

Британский стандарт
Европейская норма

51. Британский Стандарт

Инструкция по калибровке и настройке метода
TOFD , BS 7706 (1993)
Подробный документ с полезными
практическими рекомендациями по настройке
контроля методом TOFD
Инструкция по расшифровке данных TOFD
Примеры типичных дефектов сварного шва

52. Европейская комиссия по стандартизации

Методика контроля TOFD как способ
обнаружения и определения размеров дефекта,
CENV 583-6 (1997)
Предварительный стандарт
Рекомендуемые параметры преобразователей с
учетом разных толщин стенки (частота, размер
пьезокристалла, номинальный угол)

53. Дифракционно-временной метод TOFD

Явление дифракции
Стандартное использование дифракции
Принципы TOFD
Практическое применение
Коды и стандарты
Преимущества и недостатки TOFD
Исследование и разработка
Техническое решение
Демонстрация

54. Преимущества & недостатки метода TOFD

Преимущества & недостатки
метода TOFD
Преимущества (+) :
быстрый, универсальный
надежное выявление как
объемных, так и плоских
дефектов
независящий от амплитуды
точное определение высоты
дефектов (± 1 мм)
независящий от
конфигурации шва
расшифровка в оперативном
режиме онлайн, постоянная
регистрация
Недостатки (-) :
“мертвые зоны”
маскирование дефектов
эффект неопределенности
положения поперечного
дефекта
в некоторых случаях
необходим дополняющий
эхо-импульсный метод
материалы, создающие
сильное затухание ?

55. “Мертвые зоны”

Головная волна
Донный эхо-сигнал
A-scan
D-scan
Верхняя поверхность Донная поверхность

56. Дифракционно-временной метод

Явление дифракции
Стандартное использование дифракции
Принципы TOFD
Практическое применение
Коды и стандарты
Преимущества и недостатки TOFD
Исследование и разработка
Техническое решение
Демонстрация

57. Исследование и разработка Техническое решение

TOFD : ДА
НО : давайте к тому же воспользуемся
преимуществами , которые предоставляет стандартный
эхо-импульсный (PE) метод
РЕШЕНИЕ: выполняйте TOFD и PE (эхо-метод)
синхронно, не уменьшая скорость контроля

58. Исследование и разработка Техническое решение

PE 45 SW
TOFD
PE 60 SW
Система µTomoscan позволяет
единовременный сбор и
анализ данных
TOFD и PE

59. Исследование и разработка Техническое решение Система µTomoscan & программное обеспечениеTomoView

Исследование и разработка
Техническое решение
Система µTomoscan & программное обеспечениеTomoView

60. Исследование и разработка Техническое решение Система µTomoscan & программное обеспечениеTomoView

Исследование и разработка
Техническое решение
Система µTomoscan & программное обеспечениеTomoView
8-канальная портативная аппаратура(8.5 кг)
Многоканальный сбор данных и отображение
Получение средних значений в режиме реального
времени
Программа TomoView обеспечивает совместный
контроль эхо-методом (PE) и методом TOFD
Калибровка на фактическую глубину на плоских
поверхностях (цилиндрические поверхности
регламентируются)
Параболические курсоры для уточненной оценки
размеров длины
Выравнивание головной волны и подавление для
TOFD
Обработка данных SAFT (регламентируется)

61. Дифракционно-временной метод

Явление дифракции
Стандартное использование дифракции
Принципы TOFD
Практическое применение
Коды и стандарты
Преимущества и недостатки TOFD
Исследование и разработка
Техническое решение
Демонстрация

62. Демонстрация

Общее описание
Калибровка системы
Демонстрация сбора и анализа данных