Postęp technologiczny i rosnące wymagania dotyczące jakości oraz bezpieczeństwa konstrukcji przemysłowych sprawiają, że diagnostyka materiałowa odgrywa kluczową rolę w wielu gałęziach przemysłu. Szczególnie istotne znaczenie mają metody i techniki badań nieniszczących (NDT), które umożliwiają wykrywanie nieciągłości materiałowych oraz szacowanie ich wpływu na bezpieczną pracę badanego obiektu, bez konieczności ingerencji w jego strukturę. Jedną z najnowocześniejszych metod badawczych wykorzystywanych w tym celu jest ultradźwiękowa technika dyfrakcyjna TOFD (Time Of Flight Diffraction).
Zjawiska dyfrakcji były wykorzystywane już w latach 70. XX wieku do wymiarowania pęknięć, lecz technika TOFD została opracowana w zastosowaniach do badania złączy spawanych i jej dynamiczny rozwój i szerokie aplikacje przemysłowe nastąpiły w kolejnych dekadach. Wraz z rozwojem ultradźwiękowych badań NDT, w szczególności cyfrowych technik wspomaganych sterowaniem komputerowym, znaczenie dyfrakcyjnej techniki TOFD w aplikacjach przemysłowych znacznie wzrosło.
Zyskała uznanie dzięki wyjątkowej czułości na wykrywanie nieciągłości oraz możliwości precyzyjnego określania ich fizycznych wymiarów i lokalizacji. TOFD znajduje zastosowanie przede wszystkim w przemyśle energetycznym, chemicznym, naftowym oraz w sektorze konstrukcji stalowych, gdzie niezawodność połączeń spawanych i integralność materiałów są krytyczne dla
bezpieczeństwa operacyjnego.
Jednym z kluczowych atutów techniki TOFD jest zdolność do wykrywania zarówno drobnych pęknięć, jak i większych defektów w objętości materiału, co czyni ją metodą skuteczną w kontroli jakości spoin, a szczególnie w monitorowaniu rozwoju wykrytych wskazań. Dzięki wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji fal ultradźwiękowych na krawędziach nieciągłości, TOFD pozwala na identyfikację defektów niezależnie od ich orientacji, co odróżnia ją od innych technik ultradźwiękowych opartych na odbiciu fal i stanowi istotny atut badawczy.
Książka została zredagowana w postaci samodzielnych rozdziałów zawierających:
• Rozdział 1 – Podstawy konwencjonalnych ultradźwięków w kontekście zastosowań TOFD
Ten rozdział zawiera skrócony przegląd podstaw konwencjonalnych badań ultradźwiękowych dla zaawansowanego wymiarowania. Specjalne rozszerzenia będą pożyteczne w zastosowaniu do
technologii ultradźwiękowej TOFD (zjawiska na granicy ośrodków z uwzględnieniem zjawisk dyfrakcji, konwersji modów i rozdziału energii na odbicie i przenoszenie). Opisano preferowane sposoby wytwarzania fal ultradźwiękowych z uwzględnieniem zalet przetworników piezokompozytowych. Omówiono podstawowe charakterystyki wiązki głowic jednoprzetwornikowych, rozdzielczość osiową i poprzeczną wiązki oraz ograniczone podejścia konwencjonalnych ultradźwięków w zakresie wymiarowania wskazań.
• Rozdział 2 – Główne koncepcje ultradźwiękowej techniki dyfrakcyjnej TOFD
Rozdział opisuje skróconą historię rozwoju techniki TOFD, zasady dotyczące ultradźwiękowego zjawiska dyfrakcji, koncepcje realizacji techniki TOFD w wersji podstawowej. Zdefiniowano podstawowe sposoby przeszukiwania, z omówieniem teoretycznych podstaw lokalizacji wskazań i pewnych ograniczeń wynikających dla skanowania podłużnego i niesymetrycznego (offsetowego). Podano postawy teoretyczne tworzenia łuków dyfrakcyjnych dla różnych modów przeszukiwania. Przeprowadzono szczegółową analizę wpływu błędów na dokładność określania głębokości i rozdzielczości sygnałów wskazań dla omawianej techniki. Podano techniczne źródła zalet
i ograniczeń cyfrowej techniki TOFD.
• Rozdział 3 – Technika badania TOFD
Ten rozdział opisuje niezbędne elementy rozwoju dyfrakcyjnej techniki TOFD, ze szczególnym uwzględnieniem wdrożenia cyfrowego podejścia. Podano elementy systemów używanych w badaniu TOFD, opis algorytmów digitalizacji i wizualizacji sygnałów oraz sterowania hardwarem systemu.
• Rozdział 4 – Przygotowanie badania TOFD
Ten rozdział opisuje zasady sterowania zapewnieniem jakości badań poprzez pisemne procedury i instrukcje badania. Dokonano przeglądu doboru podstawowych parametrów systemu w dyfrakcyjnej techniki TOFD. Szczegółowo omówiono optymalizację parametrów głowic, modelowanie skanowania poprzez generację „scan-planów” oraz innych parametrów systemu. Przedstawiono znaczenie próbek odniesienia z podaniem przykładów ich projektowania i przeznaczenia w zależności od wymagań zadania badawczego. Omówiono specyfikę nastaw i weryfikacji czułości badania w odniesieniu do wybranego poziomu badania. Zaprezentowano
przykład kwalifikacji procedury badania PA+TOFD, z podaniem przykładu algorytmu spełnienia wymagań na próbce referencyjnej. Na koniec omówiono standardowe elementy weryfikacji systemu TOFD. W dodatku zamieszczono przykład przygotowania instrukcji/procedury badania obiektu/ wyrobu spawanego dla połączonych technik TOFD+PA, z objaśnieniami i komentarzami dla celów szkoleniowych.
• Rozdział 5 – Wykonanie badania systemem TOFD
W rozdziale omówiono niezbędne elementy potrzebne do przeprowadzenia skanowania systemem TOFD, przy specyfikacji wymaganego poziomu badania. Podano szczegóły doboru aparatury, przyrządów pomocniczych oraz akcesoriów używanych w badaniu TOFD, takich jak skanery,
przedwzmacniacze a także próbki odniesienia, zaprojektowane z materiałów i o geometrii zbliżonej do badanego obiektu oraz uwzględniające wymagania przyjętego poziomu badania. Omówiono również sposób i zakres prowadzenia przeszukiwania systemem TOFD oraz monitorowanie
poprawności działania systemu.
• Rozdział 6 – Obróbka i analiza danych
Rozdział przedstawia niezbędne elementy analizy danych TOFD, ze szczególnym uwzględnieniem oceny jakości i wiarygodności zobrazowań. Opisano szczegółowo przygotowanie narzędzi do analizy wyników. Podano zasady klasyfikacji wskazań TOFD z opisem sposobów lokalizacji oraz
wymiarowania. W ostatnim etapie oceny wskazań przedstawiono aspekty ich zgodności
z wymaganiami jako narzędzia kontroli stanu technicznego badanego obiektu. Na koniec opisano algorytmy polepszania zobrazowań w kontekście ich zbliżenia do rzeczywistych, fizycznych rozmiarów wad.
• Rozdział 7 – Inne cyfrowe techniki dyfrakcyjne podwyższonego poziomu
Ten rozdział opisuje rozszerzone informacje dotyczące rozwoju techniki TOFD, ze szczególnym uwzględnieniem optymalizacji i wiarygodności zobrazowań. Opisano szczegółowo przygotowanie dobór parametrów układu TOFD oparty na rozkładzie ciśnienia akustycznego w obszarze badania.
Zasugerowano stosowanie przetworników eliptycznych w technice TOFD, polepszających rozdzielczość i SNR rejestrowanych danych. Przedstawiono inne zastosowania technik dyfrakcyjnych oraz konwersji modu do lokalizacji i wymiarowania wad. W dalszej części opisano algorytmy rekonstrukcji zobrazowań SAFT, z podaniem ich podstaw teoretycznych i rozszerzeniem
dla głowic phased-array. Na koniec zaprezentowano zalety i ograniczenia stosowania nowej opcji technik TOFD, polegającej na rejestracji sygnałów dyfrakcji wstecznej układem głowic umieszczonych po tej samej stronie spoiny.
Rozwój i zastosowania badań ultradźwiękowych z użyciem aparatury i głowic wieloprzetwornikowych, zwanych w przyjętej nomenklaturze – ultradźwiękową technologią phased-array, osiągnął stan samodzielnej techniki badawczej na początku lat 2000.
Zastosowania przemysłowe technologii phased-array datują się od początku lat 80-tych XX wieku i wywodzą się z obszaru medycyny. W połowie lat 80-tych rozwinięto technologie materiałów piezokompozytowych i pozwoliło to na wytwarzanie głowic phased-array, w bardziej złożonych konfiguracjach. Zaawansowane rozwiązania technologii piezokompozytów, rozwój mikromechaniki i mikroelektroniki a także mocy obliczeniowej komputerów (pakiety oprogramowania przy produkcji głowic oraz wzajemnej interakcji między elementami matrycy) spowodowały burzliwy rozwój technologii phased-array. Gwałtownie wzrosły też możliwości sterowania interakcyjnego wiązkami phased-array.
Technologie phased-array charakteryzują się bardzo wysoką wiarygodnością uzyskiwanych wyników i zostały powszechnie uznane jako materiał podstawowy w krytycznej ocenie inżynierskiej – ECA, dla której poświęcono w książce oddzielny rozdział.
Jednocześnie w chwili obecnej obserwuje się burzliwy rozwój produkcji przenośnych, zasilanych akumulatorowo, aparatów phased array stanowiących jakościowy skok dla zastosowań, jakim stały się aparaty typu OmniScan MX2, a ostatnio X3 wiodącej na tym rynku firmy Olympus. Instrumenty tego typu powoli wchodzą do codziennej praktyki bardziej zaawansowanych inspekcji i pozwalają na szybkie stosowanie również takich specjalnych zastosowań jak mapowanie korozji, szybkie wykrywanie pęknięć, w tym korozji naprężeniowej i międzykrystalicznej. Specjalne rozwiązania przewidziano również do badania materiałów trudnych (duplex) i austenitycznych. Tym procesom towarzyszyć musi rozszerzony zakres szkolenia i certyfikacji personelu NDT, oparty o zagadnienia zjawisk dyfrakcyjnych (techniki TOFD) oraz phased-array (techniki PA), które stanowią najbardziej nowoczesne trendy badawcze, w szczególności w zastosowaniach łączenia tych technik oraz w kontekście uzyskiwania jak najbardziej wiarygodnych wyników badania.
Takim celom ma służyć niniejsza monografia, jak się wydaje jedyna w języku polskim, obejmująca tak szeroki zakres wiedzy podstawowej i o zastosowaniach technologii phase-array.
Książka została zredagowana w postaci samodzielnych rozdziałów zawierających:
• Rozdział 1 – Podstawy konwencjonalnych ultradźwięków w kontekście zastosowań PA-UT
Rozdział zawiera skrócony przegląd podstaw konwencjonalnych badań ultradźwiękowych dla zaawansowanego wymiarowania. Specjalne tabele i wykresy będą pożyteczne w zastosowaniu do technologii ultradźwiękowej phased-array (szczegóły formuł ogniskowania w zakresie skanowania sektorowego i normalnego, położenie sygnałów po transformacji, osłabienie sygnału, kompensacja kątowa wzmocnienia, rozdzielczość osiowa i poprzeczna wiązki oraz charakterystyki wiązki).
• Rozdział 2 – Główne koncepcje ultradźwiękowej technologii phased-array
Rozdział opisuje skróconą historię rozwoju technologii phased-array, zasady dotyczące ultradźwięków w wersji wieloprzetwornikowej, koncepcje czasu opóźnienia (lub formuł ogniskowania) dla głowic phased-array oraz aparaturę PA. Podano techniczne źródła związane z implementacją tej nowej technologii oraz jej zalety.
• Rozdział 3 – Głowice phased-array (PA) piezokpompozytowe
Rozdział obejmuje zasadnicze aspekty budowy matryc phased-array oraz głowic PA w zastosowaniach do badań ultradźwiękowych. Wyjaśniono sposoby wytwarzania, następnie podano nomenklaturę przetworników typu phased-array i prześledzono fizyczne właściwości wiązek fal realizowanych przy pomocy matryc PA,, a na koniec przedstawione zostały przykłady zastosowań.
• Rozdział 4 – Charakterystyka aparatury ultradźwiękowej phased-array. Kalibracja i techniki badawcze
Rozdział zawiera charakterystyki podstawowej aparatury i systemów ultradźwiękowych PA na przykładzie firmy Olympus oraz sposoby jej kalibracji a także różnych technik badawczych z zastosowaniem tych systemów. Określono również szczegółowo tolerancje wyznaczanych cech przyrządów oraz przeprowadzono analizę i objaśnienia.
• Rozdział 5 – Sposoby skanowania i rodzaje zobrazowań
W rozdziale omówiono sposoby zautomatyzowanego badania (lub skanowania) oraz typowe modele zobrazowań na przykładzie zastosowań w systemach OLYMPUS.
• Rozdział 6 – Przygotowanie systemu i zamiana aparatury
Rozdział przedstawia techniczne elementy związane z przygotowaniem do badania z wykorzystaniem systemu ultradźwiękowego (głowice, aparat i ewentualnie skaner). Szczegółowy podrozdział jest poświęcony próbkom odniesienia (referencyjnym) używanym do oceny przygotowania systemu. Inny podrozdział dotyczy wpływu specyficznych parametrów używanych w kalkulatorze formuł ogniskowania na wykrywanie, lokalizację i wymiarowanie pęknięć. W innej części zajęto się optymalizacją nastaw i analizą wyników. Ostatni podrozdział poświęcony jest tolerancjom przy zamianie aparatów (elementów systemu) ultradźwiękowego.
• Rozdział 7 – Wiarygodność techniki PAUT oraz jej wkład w Krytyczną Ocenę Inżynierską -ECA
Rozdział przedstawia techniczne kwestie związane z wiarygodnością ultradźwiękowej technologii phased -array oraz udział PAUT w Krytycznej Ocenie Inżynierskiej (ECA,) stosowany przy tworzeniu wiarygodnych modeli zarządzających długotrwałością pracy konstrukcji z wadami wytwórczymi i/lub nabytymi w czasie eksploatacji. Przedstawiono przykłady z różnych obszarów techniki: nuklearnej (turbiny i elementy turbin) oraz rurociągów.
• Rozdział 8 – Studia przypadków – trudne zadania badawcze
Rozdział omawia sposoby rozwiązywania skomplikowanych zadań badawczych (nazywane w nomenklaturze NDT – studiami przypadków), takich jak zaawansowane badania rurociągów ze stali węglowych oraz austenitycznych, badanie połączeń z materiałów różniących się, inspekcje turbin niskiego ciśnienia oraz systemy automatyczne do badania on-line z dużymi prędkościami, badania w kolejnictwie, itp..
Mam nadzieję, że prezentowany materiał okaże się pomocny zarówno dla inżynierów i techników zajmujących się badaniami nieniszczącymi, jak i dla studentów oraz badaczy pragnących poszerzyć swoją wiedzę z zakresu zaawansowanych technik diagnostycznych.
Marek Śliwowski – dr inż. mechanik
Specjalista NDT stopień 3
