Medus

ТОВ "МЕДУС"

Мобільне електро вимірювальне діагностичне устаткування та системи
ukrtelecom icon +38 044 257 07 42
ukrtelecom icon +38 044 596 57 31
mts icon +38 095 354 19 61
E-mail: office@medus.com.ua



Автоматизированный ультразвуковой контроль

Автоматизированный ультразвуковой контроль металлургической продукции в условиях массового производства на примере разработок ИЭС им. Е.О.Патона

 

Найда В.Л., нач. отдела АСНК; Олейник Ю.А., вед. инженер; Гогуля А.Н., вед. инженер

 

Произведен анализ разработок ИЭС им. Е.О.Патона в области автоматизированного ультразвукового контроля (АУЗК) труб, железнодорожных колес. Показан уровень этого оборудования и пути дальнейшего совершенствования. Сформулированы современные требования у установкам АУЗК и перспективы развития нового оборудования.

 

Автоматизированный ультразвуковой контроль (АУЗК) является наиболее распространенным способом неразрушающего контроля в промышленном производстве изделий различного назначения (трубы, железнодорожные колеса, прутки и т.п.). Повышение требований к качеству, увеличение скорости основных технологических операций при производстве изделий, необходимость повышения информативности и достоверности контроля обусловили повышение уровня автоматизации и визуализации УЗК. Эффективность АУЗК также во многом зависит также от согласованности с технологическим процессом изготовления изделий.

 

Современные установки АУЗК представляют собой сложные комплексы систем – механических, акустических, пневматических, гидравлических, электронных, связанных общим программным обеспечением.

 

Cовременные требования к установкам АУЗК

  1. Соответствие методики АУЗК требованиям УЗ контроля, изложенным в нормативной технической документации на производство изделия.
  2. Достоверность выявления дефектов при высокой скорости проведения контроля.
  3. Высокая эксплуатационная надежность функционирования всех систем установки.
  4. Удобная компоновка акустических блоков с УЗ преобразователями, позволяющая до минимума сократить время калибровки акустической системы при перевалке оборудования на выпуск изделий другого типоразмера.
  5. Воспроизводимость результатов калибровки при повторных испытаниях в динамическом режиме на имитаторе дефектов.
  6. Развитая система визуализации процесса контроля и его результатов.
  7. Запись и хранение всех А-сканов от обнаруженных дефектов.
  8. Передача данных о результатах контроля каждого изделия в АСУ ТП цеха или завода.

 

Конкуренция, существующая сегодня, например, в трубной промышленности, заставляет предприятия приобретать высококачественное оборудование для УЗ контроля отвечающее всем указанным выше требованиям.

 

С 2004 по 2007 год ОКТБ ИЭС им. Е.О.Патона разработало и поставило в Россию на ОАО «Выксунский металлургический завод» 9 установок АУЗК, обеспечивающих высокий уровень контроля:

  • 7 установок для АУЗК сварных швов и концевых участков труб диаметром 508 – 1420 мм (НК 360, НК 361, НК 362);
  • 2 установки для АУЗК железнодорожных колес (НК 364).

 

Изображенная на рис. 1 схема УЗ контроля сварных швов труб с толщиной стенки до 50 мм обеспечивает контроль согласно требованиям API 5L, ISO 3183, DNV-OS-F101.

 

Несмотря на высокую скорость УЗ контроля (до 30 м/мин) используемая локально-иммерсионная акустическая головка обеспечивает высокую достоверность выявления дефектов и надежный акустический контакт. Инспекторы Европейского союза, контролирующие качество труб, выпускаемых на ОАО «ВМЗ», дали высокую оценку установкам АУЗК НК 360, 361, 362 именно по причине воспроизводимости результатов контроля при испытаниях в динамическом режиме на имитаторе дефектов, а также возможности просмотра и записи А-сканов обнаруженных дефектов. 

Схема расположения акустических головок при контроле продольных сварных соединений Cхема расположения акустических головок при контроле концевых участков труб

Рис. 1. Схема расположения акустических головок при контроле продольных сварных соединений

  • Д1, Д2 – лазерные датчики слежения за валиком усиления сварного шва;
  • 1, 2, 3, 4 – группа наклонных ультразвуковых преобразователей для контроля на продольные дефекты;
  • 5 – 16 – ультразвуковые преобразователи работающие в схеме типа «тандем»;
  • 9 – 16 – ультразвуковые преобразователи, стоящие на сварном шве и работающие в иммерсионном варианте на обнаружение поперечных дефектов.

Рис. 3. Cхема расположения акустических головок при контроле концевых участков труб

  • А – акустический блок для контроля на наличие продольных дефектов;
  • Б – акустический блок для контроля на наличие расслоений.
  • 1 – широкозахватные пленочные ПЭП, зона контроля 60 мм;
  • 2 – иммерсионная ванна
  • 3 – наклонные ПЭП с углами ввода 45º, зона контроля 30 мм;

Общий вид установки для УЗК сварных швов представлен на рис. 2. Высокими акустическими характеристиками обладают и УЗ блоки для контроля концевых участков труб (рис. 3 и 4). Изображенная на рис. 3 схема расположения УЗ преобразователей в этих блоках обеспечивает за три оборота контроль зоны 100 мм на расслоение и 30 мм продольные дефекты. 

Установка НК 360 для АУЗК продольных сварных швов труб Акустические блоки для контроля концевых участков труб: акустические блоки для контроля на наличие расслоений (1) и на наличие продольных дефектов (4)
Рис. 2. Установка НК 360 для АУЗК продольных сварных швов труб Рис. 4. Акустические блоки для контроля концевых участков труб: акустические блоки для контроля на наличие расслоений (1) и на наличие продольных дефектов (4)

 

При выборе основных схем контроля сварных швов и концевых участков труб, помимо стандартов API 5L, ISO 9765, учитывались дополнительные технические требования завода по ширине контролируемых концевых участков труб. Наиболее удачная конструкция локально-иммерсионных акустических блоков с иммерсионными УЗ преобразователями установки НК 362М показана на рис. 4.

 

На рис. 5 изображена схема расположения акустических пьезопреобразователей при контроле железнодорожных колес(установка НК 364). Выбор схемы УЗ контроля железнодорожных колес определялся на основе руководящих материалов МПС России РД 32.144-2000 с дополнениями. Этот документ предусматривает обнаружение наиболее часто встречающихся дефектов, а также дефектов, сильно влияющих на безопасность эксплуатации.

Схема расположения УЗ преобразователей и зоны контроля установки НК 364

Рис. 5. Схема расположения УЗ преобразователей и зоны контроля установки НК 364: 

а – контроль обода в осевом направлении и контроль наклонными ПЭП; б – контроль диска; в – контроль ступицы; г – контроль обода в радиальном направлении; д – Расположение ПЭП при контроле реборды; е – Расположение ПЭП при контроле наклонными датчиками; 1-6 – наклонные ПЭП для контроля обода, 7-9 – прямые ПЭП контроля обода в осевом направлении; 10 – наклонный ПЭП для контроля реборды; 11-14 – прямые ПЭП для контроля диска; 15-17 – прямые ПЭП контроля обода в радиальном направлении; 18 – прямой ПЭП для контроля ступицы.

В обоих случаях контроль ведется эхо-импульсным методом продольными и поперечными волнами на частотах 2,5 и 5,0 МГц. Учитывая высокие скорости контроля (до 30-40 м/мин) также был выбран локально-иммерсионный способ создания акустического контакта. Были разработаны локально-иммерсионные акустические блоки с иммерсионными УЗ преобразователями на основе композитной пьезокерамики фирмы Panametrics (Рис. 6).  

 

Акустические блоки для контроля ступицы

а

Акустические блоки для поверхности катания

б

Рис. 6. Акустические блоки для контроля ступицы (а) и поверхности катания (б)

 

Это позволило надежно осуществлять контроль акустического контакта по всем УЗ каналам и иметь соотношение сигнал/шум не хуже 16 Дб. Кроме того, локально-иммерсионный способ получения акустического контакта не так критичен к качеству поверхности контролируемых изделий. Учитывая перспективу изготовления в будущем колес с S-образным диском был разработан специализированный сменный блок для УЗ контроля таких колес (Рис. 7 а,б).

 

Модуль для контроля S-образного диска. Общий вид блока.

а

Модуль для контроля S-образного диска. Акустическая головка.

б

Рис. 7. Модуль для контроля S-образного диска. Общий вид блока (а) и акустическая головка (б).

Основной особенностью этого блока является отсутствие контакта акустических блоков с контролируемой поверхностью. В данной конструкции акустического блока нет башмака, единственным соприкасающимся с колесом звеном является ролик, который поворачивается с помощью электроприводов вместе с корпусом датчика во время перехода на последующую дорожку.

 

 

При калибровке на имитаторе дефектов выбираются необходимые углы наклона УЗ преобразователей для установки их перпендикулярно касательной поверхности контроля. В дальнейшем программа автоматически выставит заданные углы при сканировании диска.

 

 

В процессе контроля на каждом шаге УЗ датчики поворачиваются электродвигателями на определенный в процессе калибровки угол.

 

 

Универсальный ультразвуковой дефектоскоп НК 363 выполнен на базе ультразвуковых плат французской фирмы «Socomate». Они представляют собой PCI платы полного размера для установки в шасси промышленного компьютера, предназначены для создания ультразвуковых дефектоскопов различной сложности и для реализации различных схем контроля. Это очень удобно для реализации различных задач контроля.

 

 

Непосредственно плата производит усиление, фильтрацию и оцифровку сигнала, цифровую обработку и предварительное хранение в памяти самой платы для дальнейшей передачи пакетами в ОЗУ компьютера с использованием режима DMA. Предусмотрен высокоскоростной сбор данных в режиме А-, С-скана. Продукция хорошо известна (в Европе, Северной Америке, Азии, Африке) и широко используется такими известными фирмами, как «Rolls-Royce», «Pratt&Whitney» и «GE».

 

 

Система управления установками выполнена на базе универсального программируемого контроллера Simatic S7-300 (Siemens), станций распределенного ввода/вывода ЕТ-200, и паненей оператора ОР-170 В. Обмен между участниками сети производится по шине PROFIBUS-DP. Система управления позволяет оператору осуществлять диагностику работы датчиков и приводов по выводимой информации на экран дисплея пульта управления. В случае отказов оборудования на экран выводится информация о возможной причине неисправности и позволяет быстро ее обнаружить и устранить.

 

 

Программирование контроллера системы управления выполнено стандартными инжиниринговыми средствами на базе программного пакета STEP 7. Разработанное программное обеспечение сбора и обработки данных УЗ контроля носит универсальный характер и может выполнять требования любых задач УЗ контроля.

 

 

Система визуализации процесса и результатов контроля на установках обеспечивает выдачу максимальной информации оператору в режиме реального времени. Интерфейс программного обеспечения обеспечивает простоту и удобство работы, как в режиме калибровки системы, так и в процессе проведения контроля.

 

 

На каждый проконтролированный объект выдается полный протокол контроля с выводом основных параметров контроля и информации об обнаруженных дефектах (рис. 8а). Реализована архивация результатов контроля с возможностью просмотра файлов данных по каждому проконтролированному объекту. В файлах данных сохраняется вся информация об обнаруженных дефектах, реализован просмотр А-сканов по выбранному дефекту (рис. 8б,в). Протоколы контроля каждого проконтролированного изделия передаются в систему АСУ ТП цеха. 

Протокол контроля колеса

а

Дефектограмма

б

Программа просмотра результатов контроля

в

Рисунок 8. Просмотр результатов на установке НК 364: а – протокол контроля колеса; б – дефектограмма. На дефектограмме концентрическими окружностями зоны контроля. Каждая из зон разбита на участки, соответствующие каждому из каналов. При обнаружении дефекта на дефектограмме отображается пятно красного цвета в соответствующей зоне. в – программа просмотра результатов контроля в режиме просмотра А-скана.

Необходимость в удовлетворении растущих требований к скорости контроля, повышение уровня чувствительности, надежности систем АУЗК требует применения новых технологических решений, таких как:

  1. Применение иммерсионных преобразователей на основе композитной керамики, которые излучают более короткие импульсы и обладают большей абсолютной чувствительностью. Их применение обеспечивает уменьшение «мертвой» зоны.
  2. Использование систем «преобразователь + дефектоскоп» с фазированными решетками, позволяющих управлять полем преобразователя для изменения угла ввода в широких пределах с помощью электронных устройств.

Одним из вариантов этой технологии является технология FAAST II, которая позволяет произвести замену нескольких одиночных УЗ преобразователей с разными углами ввода на один преобразователь на базе 2D-матричных фазированных решеток, который может формировать одновременно несколько УЗ лучей с разными углами ввода в разных плоскостях.

Сейчас в ИЭС им. Е. О. Патона разрабатывается оборудование для АУЗК тела труб с применением этой технологии. Основные преимущества технологии FAAST II по сравнению с классической технологией ФАР:

  • Значительное увеличение производительности контроля;

  • Возможность обнаружения «косых» дефектов, что необходимо при контроле бесшовных труб

  • Более низкая стоимость преобразователей и электронного оборудования по сравнению с классической технологией ФАР.

Характерной особенностью программной обработки FAAST II является возможность одновременного просмотра А-сканов каждого луча по аналогии с традиционными системами. Это привычно для операторов.

Пример дефектограммы с дефектами на стандартном образце, в том числе и косыми, показан на рис. 9

Дефектограмма FAAST II
Рис. 9. Дефектограмма FAAST II
  1. Использование при контроле криволинейных поверхностей (например, S-образного диска ж/д колес) автоматического слежения акустического блока за профилем поверхности.
  2. Совершенствование программного обеспечения дефектоскопа для повышения уровня помехозащиты и наглядности визуализации результатов контроля.
  3. И, наконец, совмещение в одном автоматизированном оборудовании двух методов. Например, помимо традиционного УЗК, можно применить для обнаружения поверхностных дефектов вихретоковый метод контроля. 

Выводы

Возрастающие требования к качеству сварных труб, железнодорожных колес и т.п. требует постоянно повышать уровень неразрушающего контроля. На примерах разработок ИЭС им. Е.О.Патона показаны достижения в этой области. Разработанные средства АУЗК обеспечивают высокую достоверность обнаружения дефектов и высокую эксплуатационную надежность. 

Литература

  1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7т. / под редакцией академика РАН В.В.Клюева М. Машиностроение, 2004г. Т 3. 860с.
  2. Найда В.Л., Мозжухин А.А., Лобанов О.Ф. Новое поколение оборудования для УЗК сварных труб. Журнал “Автоматическая сварка” сентябрь 2004г. С.58-62.
  3. Ткаченко А.А., Найда В.Л., Копылов А.П. Обеспечение надежности автоматизированного УЗК сварных труб при их производстве. Журнал “В мире неразрушающего контроля” 3.2006г. С.17-20.
  4. Найда В.Л.Система управления АУЗК железнодорожных колес на Выксунском металлургическом заводе. Журнал “Техническая диагностика и неразрушающий контроль” 2.2008г. С.50-52.