УДК 534.8+620
ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ С КОГЕРЕНТНОЙ ОБРАБОТКОЙ ДАННЫХ
В. Г. Бадалян
В последние годы на Российских АЭС при неразрушающем контроле трубопроводов широко применялись системы с когерентной обработкой данных серии "АВГУР", разработанной в НПЦ "Эхо+". Приведены результаты анализа влияния практических параметров контроля (нестабильность акустического контакта, параметры ПЭП и др.) на качество изображения дефектов, погрешность и точность определения их параметров: координат залегания, высоты и длины дефектов. Различается погрешность определения параметров дефектов при первичном и повторном контроле. Показано, что при повторном контроле погрешность уменьшается. Приведены результаты сопоставления данных, полученных при разрушающем контроле и при неразрушающем контроле аустенитных сварных швов трубопроводов из нержавеющей стали диаметром 325x15 мм.
1. ВВЕДЕНИЕ
У. з. методы нашли очень широкое применение при контроле оборудования АЭС. НПЦ "Эхо+" совместно со специалистами НИКИЭТ, РНЦ "Курчатовский институт", ВНИИАЭС предложил и реализовал комплексную технологию анализа качества сварных соединений с применением разработанных им систем с когерентной обработкой сигналов серии "АВГУР" [1].
Суть ее состоит в следующем:
1. На первом этапе производится традиционный у. з. контроль по методикам и нормам, действующим в данной отрасли. Это может быть ручной контроль, но предпочтительнее использование системы "АВГУР" в обзорном (поисковом) режиме. На этом этапе решается задача обнаружения зон, подозрительных на присутствие дефектов. Здесь основными выходными параметрами контроля являются амплитуда сигнала, рассеянного неоднородностью, условные параметры несплошности и определение годности сварного шва по действующим нормам.
2. На втором этапе в зонах, где обнаружены дефекты выше поискового или контрольного уровня, проводится экспертный контроль системой "АВГУР". В этом режиме детально регистрируется поле дефекта. Затем эти данные обрабатываются и анализируются экспертом. Основная задача — определение действительных параметров дефектов, высоты, длины, координат залегания. Информация о параметрах дефектов передается специалистом по прочности.
3. На третьем этапе специалисты по прочности выполняют расчеты по определению ресурса сварного соединения с использованием данных об истинных параметрах дефектов, полученных при выполнении второго этапа. По результатам прочностных расчетов принимается решение о целесообразности ремонта шва. В том случае, когда сварное соединение пропускается в эксплуатацию, оно подлежит обязательному повторному экспертному контролю.
4. На четвертом этапе после определенного специалистами по прочности срока выполняется повторный экспертный контроль.
Как уже отмечалось, при выполнении второго этапа технологии используются системы с когерентной обработкой данных, в частности системы "АВГУР", разработанные в НПЦ "Эхо+" [2]. В этих системах применяется когерентная обработка данных зарегистрированного импульсного у. з. поля, рассеянного дефектами [3]. Алгоритм обработки — многочастотная акустическая голография — аналогичен методу синтезиро-
ванной фокусированной апертуры в частотной области (FT—SAFT). Характерной особенностью таких систем является возможность с высокой точностью определять длину, высоту и профиль дефектов. Именно эти данные необходимы специалистам по прочности для проведения анализа ресурса конструкции.
Отметим, что в системах с когерентной обработкой, амплитуда у. з. эхо-сигнала не является определяющим измерительным параметром, так как характеристики изображений, по которым определяются параметры дефектов, слабо зависят от амплитуды зарегистрированных данных вследствие того, что более 70 % информации о дефекте содержится в их фазе [4]. Именно это свойство представляет особую ценность при использовании таких систем при количественном анализе дефектов сварных соединений.
Ниже будут рассмотрены источники погрешности определения параметров дефектов при практическом применении систем с когерентной обработкой данных и приведены результаты исследований погрешности определения параметров коррозионных дефектов в трубопроводах из нержавеющей стали диаметром 325x15 мм.
Отметим, что определение параметров дефектов другой природы представляет собой более легкую задачу и погрешность определения параметров таких дефектов будет, по крайней мере, не хуже.
2. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СИСТЕМ С КОГЕРЕНТНОЙ ОБРАБОТКОЙ ДАННЫХ
Точность и погрешность определения параметров дефектов является одним из важнейших параметров, характеризующих аппаратуру, используемую для реализации рассмотренной выше технологии контроля. Она определяется практической разрешающей способностью контрольной аппаратуры.
Как известно [5], разрешающая способность изображений дефектов для систем, применяющих когерентную обработку данных, составляет: Ах = Х/2А — для фронтального разрешения; Дz = Х/2А2 — для лучевого разрешения. Здесь X — длина у. з. волны, А — числовая апертура.
В системе, использующей когерентную обработку данных в некоторой полосе частот АF, фронтальное разрешение будет [6, 7]:
Ах = X<p(A/)/2cos(a)L(9, а);
лучевое разрешение [7]
Az = Xf/Af,
где функция ф(А/) слабо зависит от полосы рабочих частот, приемная апертура Ц9, а) представляет собой свертку двух функций, описывающих характеристики направленности дефекта и используемого ПЭП,
L(9, a) = D .
v ' ' деф пэп
Здесь £>деф(а) — характеристика направленности поля, исследуемого дефекта (для точечного дефекта эта величина постоянная); знак ® означает операцию свертки; £>пэп(ос, 0) — характеристика направленности используемого ПЭП.
В практически удобном виде £>пэп(а, 9) зависит от полуширины основного лепестка характеристики направленности акустического преобразователя на заданном уровне отсечки 9 и угла ввода акустических волн в направлении сканирования а [8]
DJta. в) = ffi(tg(a+0)-tg(a-G) )j 1+[tga+0,5 (tg (a+9) - tg (a - 9)) ] .
Здесь т равно 1 при регистрации данных в раздельном режиме и 2 — при регистрации данных в совмещенном режиме.
В этом случае фронтальное разрешение можно записать в виде
Ах 9)/2.
Здесь функция 9) характеризует зависимость фронтального разрешения от характеристики направленности акустического преобразователя;
0) Sin(9)-sin(271-а) 1 1
sin (sin (9) - sin (271 - а)) cos (a) Dn3n (а, 9)'
Предельная разрешающая способность системы с когерентной обработкой данных, зарегистрированных в совмещенном режиме, равна /С/2. В этом случае ^(а, 9) = 1.
В реальных условиях разрешение изображений ниже и зависит от ширины диаграммы направленности, угла ввода применяемого ПЭП, типа используемой акустической волны, используемой полосы частот и вида поля рассеяния дефекта. Кроме того, в реальных условиях имеются дополнительные ограничения, которые накладываются на область регистрации данных (неровность поверхности, существенная нестабильность акустического контакта).
3. ИСТОЧНИКИ ОШИБОК В ОПРЕДЕЛЕНИИ ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТОВ
Общее разрешение системы определяет ошибку в определении параметров дефекта. Необходимо различать погрешность определения параметров дефектов при их экспертном анализе, выполняемом в первый раз (при первичном экспертном контроле) и при выполнении последующих экспертных анализов при повторных измерениях по прошествии некоторого времени (повторный контроль). Это могут быть экспертные измерения, выполненные через несколько месяцев, год и т. д.
3.1. Погрешность определения параметров при первичном экспертном контроле. Погрешность определения высоты дефектов при их первичном анализе имеет вид Д = ^Г 8,-. Здесь 5, — определяется разреше-
/
нием реальной системы, которая определяется характеристиками системы регистрации: диаграммой направленности ПЭП, собственными шумами системы, 8, > А/2 — предельного разрешения системы визуализации.
На рис. 1 приведен график зависимости Е,(ос, 9) фронтального разрешения от параметров применяемых ПЭП. Ось ординат дана в относительных единицах, которые показывают, во сколько раз фронтальное разрешение будет хуже по сравнению с предельным разрешением при применении ПЭП с ограниченными характеристиками направленности. Из рисунка хорошо видно, что с увеличением угла раскрыва характеристики направленности ПЭП фронтальное разрешение улучшается. Причем этот эффект немного ослабевает с уменьшением угла ввода ультразвука. Например, при использовании ПЭП с а = 70° и 9 = 15° для точечного дефекта фронтальное разрешение будет около 1,2А. 8, — погрешность, определяемая характером поверхности регистрации (волнистость поверхности около валика усиления, ширина валика усиления, качество акустического контакта). В том случае, когда эти факторы достаточно слабые (искажено не более 20 % зарегистрированных данных) погреш-
ность мала. Однако если более 20 % зарегистрированных данных подвергалось искажению, то ошибка 82 — резко возрастает.
^ т^ щ> -
Рис. 1. Зависимость 9) от угла ввода у. з. и ширины характеристики направленности ПЭП.
На рис. 2 приведены графики влияния нарушения качества акустического контакта по длине сканирования. Считалось, что данные реги-
Рис. 2. Ошибка определения положения дефекта при потере части информации за счет нарушения акустического контакта:
1,4 — при использовании ПЭП с углом ввода 70 град; 2,5 — при использовании ПЭП с углом ввода 55 град; 3,6 — при использовании ПЭП с углом ввода 40 град.
стрируются по линии, перпендикулярной сварному шву в направлении к нему.
В том случае, когда зарегистрированы все данные по линии сканирования параметра, восстановленные изображения дефекта считаются эталонными. Когда теряется часть исходной информации, изображение дефекта "расплывается", указывая на уменьшение фронтального разрешения, а его максимум, характеризующий локализацию дефекта, может смещаться. Причем, когда теряется информация на максимальном удалении от области дефекта (начало сканирования), дефект восстанавливается на большей глубине, чем при его эталонном положении. В том случае, когда теряется информация на минимальном удалении от области
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.