Wraz z rosnącymi potrzebami sektora energetycznego związanymi z modernizacją i remontem części ciśnieniowej kotłów, niosących za sobą optymalizację parametrów pracy bloków (szczególnie temperatur i ciśnień) oraz uzyskanie wysokich wskaźników eksploatacyjnych, istnieje potrzeba zastosowania nowoczesnych materiałów ze stali austenitycznej. W tym momencie pojawia się nowe zadanie spawania i badania nowo wykonanych złączy spawanych.  Wraz ze wzrostem jakości tych prac niezbędny jest rozwój i ulepszanie technik badawczych, mających na celu skrócenie czasu badania oraz poprawę ich jakości.
Zaprezentowane i wybrane możliwości przedstawianej techniki badawczej poparte są praktycznymi przykładami a ich wykorzystanie daje duże możliwości zastosowania w sektorze energetycznym. Nowe możliwości ultradźwiękowej metody badawczej z wykorzystaniem głowic mozaikowych znacznie poszerzają niedostępne, jak do tej pory, zdolności badań ultradźwiękowych głowicami jednoprzetwornikowymi.

Cel badań
W celu spełnienia wymagań Dyrektywy ciśnieniowej 97/23/WE i zapewnienia wysokiej dyspozycyjności bloków energetycznych konieczne jest wykonanie wysokiej jakości prac spawalniczych, potwierdzonych badaniami nieniszczącymi. W przypadku takim jak modernizacja bloku energetycznego jednym z ważniejszych procesów realizacyjnych jest wymiana całych powierzchni ogrzewalnych kotła. Niesie to za sobą konieczność badania bardzo dużej liczby spoin tzw. cienkościennych (grubości 5-8 mm), w ograniczonym czasie i braku konieczności przerywania prac w rejonie badań. W takim wypadku istotne jest wyeliminowanie badań radiograficznych a jednocześnie zapewnienie najwyższej jakości (pewności) wyników badań. Zalecana przez obowiązujące regulacje metoda radiograficzna badania spoin z zastosowaniem defektoskopów izotopowych techniką na jedną elipsę jest bardzo czasochłonna i nie gwarantuje najwyższej jakości (pewności) wyników badań. Ponadto brak możliwości pełnej ochrony radiologicznej w miejscu wykonywania badań, ze względu na bieżącą pracę zakładu, wiąże się z ograniczeniami czasowymi prac montażowych. Spełnienie takich oczekiwań stawia kolejne wyzwania polegające na zastąpieniu metody radiograficznej badaniami ultradźwiękowymi z wykorzystaniem głowic wieloprzetwornikowych „Phased Array”. Takie możliwości daje główna specyfikacja przywołanej w warunkach modernizacji normy zharmonizowanej PN-EN 12952 -6, punkt. 9.4.2.1 podp.12 – „zastosowanie badań ultradźwiękowych do grubości mniejszej niż 8 mm, jest możliwe pod warunkiem spełnienia następujących wymagań:

• posiadanie pisemnej procedury badań opartej na własnej, sprawdzonej działalności wytwórcy,
• zagwarantowanie, że w przypadku ich zastosowania bezpieczeństwo urządzenia nie zostanie zmniejszone.

Pojawienie się nowej stali austenitycznej X8CrNi19-11 (347HFG) oraz zalecana rejestracja obrazu badanego elementu przyczyniły się do wykonywania badań z wykorzystaniem głowic wieloprzetwornikowych z zastosowaniem skanera „Cobra”.

Charakterystyka badań
Jak sama nazwa wskazuje, metoda ta opiera się na stosowaniu ultradźwiękowych głowic wieloprzetwornikowych (mozaikowych). Głowice te różnią się od standardowych głowic ultradźwiękowych tym, że składają się z wielu pojedynczych przetworników (10, 16, 32, 64, 128 elementowych), z których każdy może niezależnie generować i odbierać falę ultradźwiękową. Za pomocą takiego rozwiązania możliwe jest kształtowanie wiązki poprzez elektroniczne opóźnienie pobudzania poszczególnych elementów piezoelektrycznych głowicy. Polega ono na ogniskowaniu tej wiązki na określonej głębokości oraz nachyleniu jej pod odpowiednim kątem. Ultradźwiękowa metoda głowic mozaikowych umożliwia więc pracę w dwóch trybach skanowania, sektorowego w wyznaczonym zakresie kątowym oraz liniowego pod określonym kątem. Do zbierania sygnałów z głowic wykorzystywany jest rozbudowany układ, umożliwiający otrzymywanie wyników badań w postaci jednoczesnego zobrazowania typu A, B, C, S, dzięki czemu możliwa jest dokładna i szybka analiza tych wyników. Przy zastosowaniu multigrupy (układ kilku głowic) możliwe jest łączenie zobrazowań tego samego typu dla kilku różnych głowic.
Aby otrzymać zobrazowanie długości spoiny, niezbędne jest zastosowanie enkodera. Umożliwia on zeskanowanie całej badanej powierzchni z zachowaniem rzeczywistych wymiarów. Zobrazowanie takie możemy uwiecznić w postaci cyfrowej z możliwością późniejszego odtworzenia (archiwizacja).
W praktyce badanie z użyciem systemu „Phased Array” polega na wytypowaniu przez operatora niezbędnych parametrów jak: zakres kątowy wiązki, typ skanu (np. liniowy lub sektorowy), głębokość ogniskowania wiązki, rodzaj i grubość materiału badanego,  parametry związane z głowicą i klinem, wartości związane z położeniem badanego elementu względem układu głowic. Po wprowadzeniu tych wartości możemy przejść do kalibracji systemu. Pozostałe operacje typu obliczanie czasu opóźnień wyjść wiązek ultradźwiękowych z poszczególnych przetworników wykonuje za nas system.

Wykorzystanie techniki w kwalifikacji metody badawczej
Podczas badania spoin na rurach o grubościach 5-8 mm wykorzystano 2 głowice 16-elementowe typ 3.5CCEV35 i wymienne kliny profilowane pozwalające uzyskać optymalną wysokość ogniska optycznego, co umożliwia badanie w jednym etapie spoin o małej grubości. Głowice te ustawione są w taki sposób, aby badana spoina została zeskanowana z jednej i drugiej strony w jednym etapie przeszukiwania.

RYS. 1 Przykładowe ustawienie głowicy Phased Array względem badanej spoiny

Wykorzystanie takiego typu głowic umożliwia badanie spoin rur na elementach kotła wykonanych ze stali austenitycznej X8CrNi1911 (347HFG), jak również ze stali ferrytycznej i martenzytycznej 13CrMo4-5, 10CrMo9-10, X20CrMoV121.

Oprócz głowic w skład całego układu badawczego wchodzą:

• defektoskop OmniScan MX,
• skaner „Cobra”,
• enkoder,
• układ zapewniający sprzężenie wodne,
• komputer z oprogramowaniem „TomoView” i „ESbeamTool”.

RYS. 2 Zestaw do badań PA	RYS. 3 Skaner Cobra z zamocowanymi głowicami

Defektoskop OmniScan MX jest jednostką centralną zbierającą impulsy z głowic mozaikowych i przetwarzający je na różnego typu zobrazowania. Skaner „Cobra” wraz z umieszczonymi w nim głowicami umożliwia skanowanie rur w zakresie średnic od 30 mm do 116 mm. Dostosowanie do odpowiedniej średnicy badanego elementu można uzyskać poprzez odpowiednią konfigurację jego elementów. Skaner „Cobra” charakteryzuje się małymi wymiarami, co umożliwia badanie spoin o ograniczonym dostępie (odstęp od przeszkód może wynosić min. 13 mm). Dodatkowo wyposażony jest on w sprężyny zapewniające równomierny docisk głowic do badanej rury, umożliwiający uzyskiwanie powtarzalnych sygnałów ultradźwiękowych w obrębie całej rury. Enkoder mierzy drogę przesuwu głowic po obwodzie rury, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie zobrazowania typu B i dokładne określenie umiejscowienia wykrytej niezgodności. Układ sprzężenia wodnego składa się z pompki zapewniającej stały dopływ czynnika sprzęgającego, zbiornika ze środkiem sprzęgającym i układu wężyków łączących zbiornik z głowicami.

Przed przystąpieniem do badań należy zaplanować ustawienie głowic w skanerze. W tym celu niezbędne jest zrobienie planu badania w programie „ESBeamTool”.

RYS. 4 Przykładowy plan badań wykonany w programie „ESBeamTool”

Po zeskanowaniu obrazu badanej spoiny wstępną analizę możemy przeprowadzić na defektoskopie OmniScan MX. Dokładną ocenę i ewentualne zwymiarowanie wykrytych wskazań należy wykonać za pomocą oprogramowania „TomoView”.

Realizacja celów badawczych wiąże się z odpowiednimi kwalifikacjami personelu i laboratorium badań. W tym celu w Laboratorium Badań Materiałowych PGE GiEK S.A. Oddział Elektrownia Bełchatów przystąpiono do procedury kwalifikacji metody badawczej. W pierwszym etapie opracowano instrukcję badań i przystąpiono do praktycznego badania i walidowania metody na króćcach kontrolnych, egzaminacyjnych oraz rurach powierzchni ogrzewalnych wewnątrz kotła. Polegało to na zbadaniu około 600 spoin skanerem „Cobra” i walidacji metodą radiograficzną, ultradźwiękową i makroskopową (spoiny z wynikiem negatywnym w bardzo dużym stopniu zostały walidowane metodą makroskopową). Proces ten zakończył się pozytywną oceną kierownictwa LBM PGE GiEK S.A. Elektrowni Bełchatów.

Kolejnym krokiem było przedstawienie następujących informacji:

• opis systemu badań,
• zakres stosowania metody,
• cel procedury kwalifikacyjnej,
• przebieg procedury,
• kwalifikacje personelu,
• techniczne uzasadnienie procedury.

W następnym etapie „Programu Kwalifikacji Metody Badawczej” przebadano króćce egzaminacyjne przygotowane przez Inspektorów CLDT w Poznaniu. Wynik naszych badań został oceniony pozytywnie.
Zwieńczeniem naszej pracy było wykonanie sprawozdania z procesu kwalifikacji, protokołów z badań oraz zaktualizowanie Instrukcji badań nr LBM 2-07.06.00. Zebrana dokumentacja została przekazana do CLDT w Poznaniu.  W sierpniu 2012 r. otrzymaliśmy informację o pozytywnym zakończeniu postępowania o rozszerzenie zakresu badań i nowy „Zakres metod badawczych” do świadectwa podwykonawcy UDT nr LB-001/20, które obejmuje badanie złączy spawanych o grubości od 5 do 8 mm (badanie skanerem „Cobra”) zgodnie z Instrukcją nr LBM-2-07.06.00, wydanie 2.09 z dnia 24 lipca 2012 r.

Korzyści z zastosowania techniki
Badanie ultradźwiękowe za pomocą głowic wieloprzetwornikowych jest nowoczesną metodą charakteryzującą się dużą wydajnością, pewnością badań i możliwością kontroli  jakości wykonanych badań. Zastosowanie głowic mozaikowych umożliwia kształtowanie kierunku wysyłania wiązki ultradźwiękowej, znacznie zwiększając możliwości detekcyjne. Niewątpliwą zaletą zwiększającą wykrywalność wad jest możliwość obserwacji badanego elementu z wykorzystaniem zobrazowań typu A, B, S i C. Tradycyjna metoda badań ultradźwiękowych głowicą jednoprzetwornikową daje nam możliwość obserwacji tylko zobrazowania typu A.  Ta przewaga metody głowic mozaikowych nad tradycyjną metodą ultradźwiękową umożliwia ocenę wielkości wykrytej wady i jej orientacji w sposób mniej czasochłonny i bardziej przyjazny dla operatora. Możliwość wizualizacji wielkości i kształtu wykrytej wady daje możliwość śledzenia zmian jej geometrii także w funkcji czasu i warunków eksploatacji.
Bardzo ważną cechą metody badań głowicami wieloprzetwornikowymi jest możliwość zapisu w postaci cyfrowej wszystkich zobrazowań danej spoiny. Umożliwia to ocenę na profesjonalnym oprogramowaniu do analizy tego typu badań oraz wygodną archiwizację. Przydatną funkcją tego programu jest możliwość wizualizacji wykrytych wskazań w taki sposób, aby przedstawiała ona rzeczywiste kształty wady i umiejscowienie jej w badanym elemencie. Dzięki temu każdy może zobaczyć obraz trójwymiarowy, który może być zrozumiały nawet dla osób bezpośrednio niezwiązanych z tą techniką badawczą.
Metoda ta z powodzeniem może zastępować w większości przypadków badania radiograficzne, nawet na stalach austenitycznych. Wykazany proces walidacji tych dwóch metod wykazuje większą pewność i jakość badań z zastosowaniem głowic wieloprzetwornikowych (szczególnie niebezpiecznych niezgodności płaskich). Dodatkowym atutem jest skrócenie czasu pracy i wyeliminowanie ograniczeń związanych z ochroną radiologiczną.

Dokumentacja wskazań
Podczas badania spoin metodą głowic mozaikowych wykryto szereg niezgodności spawalniczych, dzięki czemu proces walidacji stał się bardziej ciekawy i pokazał pełne możliwości zastosowanej techniki „Phased Array”. Spośród wykrytych wskazań wybrano kilka pokazujących zróżnicowany charakter ich występowania i umiejscowienia. Na załączonych rysunkach porównujących metody badawcze widać, że wykryte wady bardzo dobrze prezentują się w zobrazowaniach wykonanych za pomocą metody głowic mozaikowych. Ich wizualizacja pozwala na dokładne określenie położenia, kształtu i wielkości. Zarówno niezgodności objętościowe, jak i płaskie są bardzo dobrze wykrywane tą techniką. Do przedstawienia zobrazowań użyto oprogramowania „TomoView”. Jego zastosowanie umożliwiło połączenie obrazów z dwóch głowic w jedną wizualizację przedstawiającą obraz całej badanej spoiny.

RYS. 5 Obraz niezgodności w grani spoiny, walidacja metodami PA, RT i makroskopową	RYS. 6 Obraz niezgodności w spoinie (pęcherz gazowy), walidacja metodami PA, RT i VT

Rys. 7 Obraz niezgodności w spoinie (pęcherz gazowy), walidacja metodami PA, RT i makroskopową

***

Stosowanie ultradźwiękowej techniki badawczej z zastosowaniem głowic wieloprzetwornikowych i skanera „Cobra”, dla spoin na rurach o grubości poniżej 8 mm,  umożliwia:

• usprawnienie procesu badawczego oraz skrócenie czasu jego trwania,
• zwiększenie pewności wykrywania w spoinach niezgodności krytycznych tj: pęknięcia, przyklejenia i braki przetopu,
• wizualizację kształtu i umiejscowienia wykrytych niezgodności,
• badanie spoin rur ze stali austenitycznej,
• wykonywanie badań bez istotnych ograniczeń związanych z ochroną radiologiczną w porównaniu z badaniami radiograficznymi,
• zapis wyników badań i możliwość ich oceny z użyciem specjalistycznego oprogramowania.

Literatura

1. Szczęsny R., Górniak W., Stępiński I.: Zastosowanie nowoczesnych technik badań ultradźwiękowych podczas modernizacji bloków energetycznych w PGE GiEK S.A. Oddział Elektrowni Bełchatów, XIV Sympozjum Informacyjno-Szkoleniowe, Ustroń 2012.
2. Instrukcja nr LBM-2-07.01.00 wyd. 2.09 z dnia 21.11.2011.
3. Sprawozdanie nr 008-S-2012 z kwalifikacji metody badawczej z dnia 15.02.2012.
4. Olympus NDT: Advances in Phased Array Ultrasonic Technology Applications, 2007.
5. Olympus NDT: Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications: R/D Tech Guideline, 2004.
6. Olympus NDT: Phased Array Testing: Basic Theory for Industrial Applications, 2010.
7. Lewińska-Romicka A.: Badania nieniszczące. Podstawy defektoskopii, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2001.
8. Azar L., Shi Y., Wooh S.C.: Beam focusing behavior of linear phased arrays, NDT&E International 33, 2000.
9. Bredif P., Poidevin C., Dupond O.:A Phased Array Technique for Crack Characterization, ECNDT 2006.

Autorzy: Mariusz Bożek, Sławomir Wiliński, PGE GiEK S.A. Oddział Elektrownia Bełchatów

 Jak zamówić prenumeratę czasopisma drukowaną/elektroniczną