Metody diagnostyki urządzeń energetycznych w elektrowniach – badania nieniszczące (część 2.)

Badania ultradźwiękowe

Metoda ultradźwiękowa należy do metod badań objętościowych. To znaczy, że umożliwia ona wykrywanie wewnętrznych nieciągłości materiałów, ale też pozwala na wykrywanie powierzchniowych i podpowierzchniowych nieciągłości materiałów. Metodą tą możliwe jest wykrywanie najbardziej niebezpiecznych nieciągłości: płaskich, wąskoszczelinowych. Możliwe jest także wykrywanie przestrzennych nieciągłości materiałów. Obiekty badane metodą ultradźwiękową mogą być wykonane z metali: stali ferrytycznych, stali austenitycznych oraz z metali nieżelaznych, a także z materiałów niemetalowych.

Badanie materiałów obiektów technicznych metodą ultradźwiękową polega na wprowadzaniu do nich fal ultradźwiękowych, czyli drgań mechanicznych o częstotliwościach od 0,5 MHz zwykle do około 10 MHz, a następnie detekcji sygnałów, wywołanych przez fale przechodzące przez obiekty (rys. 1.). Sygnały te zawierają informację o nieciągłościach występujących w materiałach. Możliwe jest wykrywanie nieciągłości o głębokości od 0,1 mm, o szerokości od 0,001 mm i o długości (lub średnicy) od około 0,7 mm. Przy wprowadzaniu fal do materiałów obiektów konieczne jest przesuwanie głowicy ultradźwiękowej po ich powierzchni. Do wykonania badań materiałów urządzeń w elektrowniach wystarcza jednostronny dostęp do obiektów.

W badaniach ultradźwiękowych stosowane są powszechnie głowice jedno- i dwuprzetwornikowe. Głowice jednoprzetwornikowe, nadawczo-odbiorcze, stosowane są głównie w badaniach defektoskopowych, tj. do wykrywania nieciągłości materiałowych. Stosowana jest głównie metoda echa, ale także metoda przepuszczania (inaczej zwana metodą cienia) i metoda wykorzystująca dyfrakcję fal ultradźwiękowych (tzw. metoda TOFD). Przy stosowaniu metody echa fale podlegają odbiciom od ścian obiektów i od nieciągłości. Otrzymywane sygnały – echa (rys. 1.) są poddawane analizie. W położeniu ech, wzdłuż poziomej podstawy czasu, na monitorze aparatu ultradźwiękowego, zawarta jest informacja o głębokości zalegania nieciągłości w materiale. W wysokości ech, przy danym wzmocnieniu aparatu, zawarta jest informacja o zdolności nieciągłości odbijania fal, a więc pośrednio – informacja o wielkości nieciągłości [10].

Głowice dwuprzetwornikowe, o rozdzielonych funkcjach nadawania i odbioru fal, w odniesieniu do badania urządzeń w elektrowniach, stosowane są w pomiarach grubości materiałów obiektów, np. rurociągów.

W badaniach ultradźwiękowych, a szczególnie w badaniach złączy spawanych, wymiary nieciągłości małych (zasadniczo nieciągłości mieszczących się całkowicie w wiązce promieniowania) są określane na podstawie porównania wysokości ech dla ocenianych nieciągłości naturalnych, z wysokością ech dla określonych nieciągłości sztucznych. Te nieciągłości sztuczne mają postać nieciągłości płaskodennych. Jest to tzw. metoda DGS. W wyniku oceny wielkości nieciągłości podaje się tzw. średnicę równoważną nieciągłości naturalnych w stosunku do średnicy sztucznych nieciągłości płaskodennych. Podaje się też informację, o ile decybeli wysokość echa nieciągłości naturalnej przekracza pewien określony poziom, związany odpowiednio z wysokością echa płaskodennej nieciągłości odniesienia.

Alternatywą jest tzw. metoda DAC, w której nieciągłością odniesienia jest nieciągłość cylindryczna. W wyniku oceny wielkości nieciągłości podaje się informację, o ile decybeli wysokość echa nieciągłości naturalnej przekracza pewien określony poziom, związany odpowiednio z wysokością echa cylindrycznej nieciągłości odniesienia. Wymiary (długość, szerokość) nieciągłości dużych (tj. nieciągłości niemieszczących się w wiązce ultradźwiękowej) oprócz określania równoważnej średnicy nieciągłości podaje się na podstawie pomiaru długości przemieszczenia głowicy nad nieciągłością.

Najnowsze, wielokanałowe, cyfrowe defektoskopy i systemy przeznaczone do badań ultradźwiękowych, mogą współpracować z głowicami wieloprzetwornikowymi, tj. głowicami pracującymi na podstawie tzw. techniki Phased Array. Głowice, pracujące przy wykorzystaniu techniki Phased Array mogą zawierać od 16 do 128, a również 256, a nawet więcej miniaturowych przetworników ultradźwiękowych. Poszczególne elementy w głowicy, pracującej przy wykorzystaniu techniki Phased Array, mogą być różnie ułożone: liniowo, kołowo i cyrkularnie. Fale ultradźwiękowe mogą być wprowadzane do obiektów pod kątem 0° (w stosunku do normalnej powierzchni obiektów) lub pod określonym, wybieranym przez użytkownika kątem lub kąt ten może być zmieniany w pewnym zakresie, np. od -30° do +30° lub np. od +30° do +70°. Dzięki stosowaniu głowic wieloprzetwornikowych wiązka fal ultradźwiękowych może być kształtowana odpowiednio do danego zastosowania, między innymi ogniskowana. Stosowanie takich głowic umożliwia zwiększanie, w porównaniu z tradycyjnymi głowicami, obszaru kontrolowanego. Dzięki możliwości kątowego kształtowania wiązki fal ultradźwiękowych możliwe jest, przy jednym położeniu głowicy, wykrywanie różnie zorientowanych nieciągłości materiałowych.

Stosowanie głowic wieloprzetwornikowych przyczynia się do zwiększenia prawdopodobieństwa wykrywania nieciągłości, w stosunku do przypadków stosowania głowic tradycyjnych. Oprogramowanie defektoskopów, współpracujących z takimi głowicami, pozwala na tworzenie różnorodnych zobrazowań sygnałów dla nieciągłości materiałów: od zobrazowań typu A, poprzez zobrazowania typu B, C i D do zobrazowań typu S. Zobrazowanie typu A dla nieciągłości jest to obraz wyników badania ultradźwiękowego, w którym oś odciętych przedstawia czas przejścia fal ultradźwiękowych w materiale obiektu (a więc głębokość zalegania nieciągłości w materiale), a oś rzędnych amplitudę sygnałów. Zobrazowanie typu A może być uzyskane w statycznym położeniu głowicy, na obiekcie badanym [10]. Zobrazowanie typu B jest uzyskiwane przy przesuwie głowicy po obiekcie, wzdłuż jednej linii. Polega ono na przedstawianiu sygnałów nieciągłości stosownie do głębokości ich zalegania. Przy zobrazowaniu typu B wzdłuż osi odciętych odkładana jest odległość odpowiadająca kolejnym położeniom głowicy, wzdłuż osi jej przesuwu, a wzdłuż osi rzędnych odkładany jest czas przejścia fali, a więc odległość nieciągłości od głowicy [10]. Kolorami może być przedstawiona amplituda sygnałów.

Konieczna przy tym jest rejestracja położeń głowicy (przy użyciu przetwornika mechano-fotoelektrycznego). Zobrazowanie typu C jest uzyskiwane przy skanowaniu, wzdłuż dwóch osi, całej powierzchni obiektów. Konieczna przy tym jest rejestracja położeń głowicy. Zobrazowanie typu C umożliwia przedstawianie nieciągłości materiałów, w widoku z góry. Przeprowadzana jest analiza amplitudy sygnałów, stosownie do położeń głowicy. Zobrazowanie typu C jest to obraz wyników badania ultradźwiękowego, przedstawiający przekrój poprzeczny badanego obiektu, równolegle do przeszukiwanej powierzchni. Na osi odciętych odkładana jest długość skanowania, w jednym kierunku, np. długość złącza spawanego. Na osi rzędnych odkładana jest długość skanowania w drugim kierunku. Intensywność barwy fragmentów zobrazowania zależy od amplitudy sygnałów [10].

Zobrazowania typu A, B i C sygnałów dla nieciągłości są otrzymywane zarówno w defektoskopach współpracujących z głowicami jedno- i wieloprzetwornikowymi. Zobrazowanie typu D jest to widok sygnałów w wybranym przekroju złącza, patrząc z jego boku. Zobrazowanie typu D, jakie jest wprowadzane w defektoskopach współpracujących z głowicami wieloprzetwornikowymi, pokazano na rysunku 2a, dla wewnętrznych niezgodności złącza spawanego. Rysunek dotyczy przypadku użycia głowicy kątowej i przedstawia zobrazowanie jej sygnałów dla niezgodności spawalniczych, przy wybranym kącie wprowadzania wiązki fal do materiału obiektu badanego, tu wynoszącym 60°.

Zobrazowania typu S są wprowadzane w defektoskopach współpracujących z głowicami wieloprzetwornikowymi. Zobrazowanie typu S pokazano na rysunku 2b. Jest to obraz wyników badania ultradźwiękowego – sygnałów dla nieciągłości materiału obiektu, uzyskiwany przy elektronicznym odchylaniu wiązki fal ultradźwiękowych, w wybranym zakresie kątów wprowadzania wiązki fal do materiału obiektu badanego, tu przykładowo wynoszącym od -20° do +20°. Na rysunku 3. przedstawiono zobrazowanie nieciągłości odkuwki uzyskane przy ultradźwiękowym badaniu 32-elementową głowicą Phased Array, pracującą przy częstotliwości 5 MHz.

Badania radiograficzne

Metoda radiograficzna należy do metod badań objętościowych. Może być ona stosowana do badania wszelkich materiałów różnorodnych obiektów. Możliwe jest wykrywanie nieciągłości o głębokości (wysokości) od około 0,5% grubości materiału, w kierunku rozchodzenia się promieniowania i nieciągłości o szerokości rozwarcia od około 0,1 mm.

Stosowanie tej metody wymaga dwustronnego dostępu do obiektu. Z jednej strony obiektu umieszczane jest źródło promieniowania. Stosowane są lampy rentgenowskie lub aparaty gammagraficzne. Z drugiej strony obiektu umieszczany jest detektor promieniowania. Detektorami promieniowania w badaniach radiograficznych, co stanowi dotychczas powszechną praktykę w badaniach urządzeń w elektrowniach, są błony radiograficzne. Natężenie promieniowania na powierzchni, po drugiej stronie obiektu, w płaszczyźnie detektora promieniowania, jest odwzorowane w postaci tzw. obrazu radiograficznego materiału badanego obiektu na tym detektorze. Schemat badania radiograficznego przedstawiono na rysunku 4.

Z geometrycznego punktu widzenia obraz radiograficzny obiektu badanego jest wynikiem projekcji obiektu na płaszczyznę detektora promieniowania. Na radiogramach przedstawiane są dwuwymiarowe, cieniowe obrazy nieciągłości trójwymiarowych. Obrazy nieciągłości przedstawiają kształt nieciągłości i ich wymiary, w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się promieniowania. Zaczernienie błon radiograficznych zależy od natężenia promieniowania, które przeszło przez obiekt, w tym: od grubości materiału obiektu, od występujących w nim nieciągłości i ich właściwości osłabiania promieniowania jonizacyjnego oraz od odległości płaszczyzny detektora od obiektu.

Metodą radiograficzną szczególnie dobrze wykrywane są przestrzenne nieciągłości materiałów różnych obiektów, np. połączeń spawanych i odlewów. Podczas wykrywania nieciągłości tą metodą, istotny jest wybór kierunków napromieniowania obiektów. Takie bardzo istotne nieciągłości, jak nieciągłości płaskie, np. pęknięcia, położone wzdłuż kierunku rozchodzenia się promieniowania są wykrywalne. Natomiast nieciągłości płaskie, położone prostopadle do danego kierunku rozchodzenia się promieniowania, mogą nie zostać wykryte. Położenie nieciągłości wzdłuż kierunku rozchodzenia się promieniowania, może być określane przy wykonaniu kilku napromieniowań obiektu badanego z różnych kierunków, przy różnych położeniach źródła względem obiektu, tj. przy zmianach położenia źródła promieniowania względem obiektu lub zmianach położenia obiektu względem źródła.

Zastosowania radiografii przemysłowej, w odniesieniu do urządzeń elektrowni, są bardzo szerokie. Można np. prześwietlać różne złącza spawane, np. spoiny obwodowe dna walczaków i złącza spawane rurek ferromagnetycznych w dnach sitowych. Na rysunku 5. i rysunku 6. pokazano wyniki radiograficznych badań na przykładzie odlewów. W odlewach znajdowały się naturalne nieciągłości. Wynikiem badania radiograficznego jest radiogram (rys. 5a). Na radiogramie widoczne jest odwzorowanie kształtu obiektu, wraz z widocznymi obrazami nieciągłości. Analiza radiogramów rejestrowanych na błonach radiograficznych przeprowadzana z użyciem negatoskopów stanowi powszechną praktykę badań radiograficznych urządzeń elektrowni. Na rysunku 5a (jest to radiogram „surowy”) widoczna jest porowatość odlewu. Na obrazie przetworzonym (rys. 5b) porowatość odlewu została wyeksponowana. Na rysunku 6. pokazano radiogramy odlewu z nieciągłościami w postaci pęcherzy.

Wymiary charakterystyczne nieciągłości, tj. ich długość i szerokość, są określane poprzez ich bezpośredni pomiar na radiogramach przy użyciu miarki milimetrowej lub lupki z integralną skalą. Jeśli wymiarem charakterystycznym nieciągłości jest ich wysokość, to jest ona określana na podstawie gęstości optycznej radiogramów w miejscu obrazu nieciągłości i jest ona porównywana z gęstością optyczną obrazu materiału w miejscu pozbawionym nieciągłości. Konieczny przy tym pomiar zaczernienia radiogramów w interesujących jego miejscach jest wykonywany przy użyciu densytometrów.

Radiogramy rejestrowane na błonach radiograficznych mogą być poddawane digitalizacji z użyciem skanerów laserowych. W celu wyeksponowania zobrazowań nieciągłości materiałów, „surowe” radiogramy rejestrowane na błonach radiograficznych, po nadaniu im postaci cyfrowej, można poddawać różnorodnym zabiegom przetwarzania obrazowego. Do obrazowego przetwarzania radiogramów wprowadzane są złożone algorytmy matematyczne, mające na celu m.in. redukcję szumów, poprawę kontrastu, uzyskiwanie negatywów obrazów oraz zaawansowane możliwości przeglądania obrazów. Można np. przetwarzać obrazy radiograficzne, przy użyciu funkcji nadającej im kolory, co prowadzi do uzyskania znacznej poprawy czytelności szczegółów radiogramów.

Obrazowe przetwarzanie radiogramów może być realizowane przy użyciu programów specjalnych, jak np. KODAK INDUSTREX Digital Viewing Software Lite 2.0, ale także takich programów, jak np. ADOBE PHOTOSHOP 7.0 CE, MICROSOFT OFFICE VISIO PROFESSIONAL, ACDsee 8 Photo Manager, Corel Draw 12.0 Graphics, JPEGcompress 2.7, Free Image Editor 2.1.6, Real – Draw Pro 4.0, Photo Filtre 8.1.1. Dzięki ich użyciu można uzyskać poprawę widoczności szczegółów zobrazowań nieciągłości materiałów obiektów. Alternatywą do „klasycznej” radiografii przemysłowej, w której rejestracja obrazów obiektów zachodzi na błonach radiograficznych, są: luminoforowe płyty obrazowe, stosowane w radiologii komputerowej i detektory typu płaski panel, stosowane w radiologii bezpośredniej.

Luminoforowe płyty obrazowe umożliwiają zachowanie obrazów w warstwie fosforowej do ich późniejszego odczytu i wyświetlania. Utajone obrazy są skanowane czerwonym lub zbliżonym do podczerwonego światłem, w celu uzyskania fotostymulowanej luminescencji. Intensywność stymulowanej luminescencji jest wprost proporcjonalna do ilości fotonów zaabsorbowanych przez płytę.

System radioskopii [10] składa się z: lampy rentgenowskiej o ustawialnym ognisku, kolimatora ustawianego przy użyciu silników, manipulatora, np. pięcioosiowego, kabiny ekspozycyjnej, miernika napromieniowania, układów zabezpieczeń, elektronowego wzmacniacza obrazów, monitora do przeglądania nieprzetworzonych obrazów, komputera wyposażonego w system przetwarzania obrazów, monitora do przeglądania przetworzonych obrazów oraz urządzeń peryferyjnych.

W systemach radiologii bezpośredniej stosowane są detektory płytowe zbudowane przy użyciu półprzewodnikowych amorficznych płyt krzemowych lub amorficznych płyt selenowych, ewentualnie ze scyntylatorami (absorbują one fotony promieniowania X i generują światło) CsJ. Zebranie danych z badań trwa kilka sekund, po czym natychmiast można oglądać obrazy obiektów, na monitorze. Systemy przetwarzania obrazów w radiologii umożliwiają: redukcję szumów obrazów, uśrednianie, ustawianie kontrastu obrazów, przetwarzanie obrazów: powiększanie obrazów lub fragmentów obrazów, pomiary wielkości obrazów nieciągłości materiałów, pomiary gęstości optycznej radiogramów, ustawianie kontrastu obrazów, ustawianie jasności obrazów, zapis obrazów i porównywanie obrazów z obrazami uprzednio zarejestrowanymi, w tym odejmowanie obrazów. Na rysunku 5. przedstawiono radiograficzne obrazy odlewu uzyskane w systemie radioskopii firmy YXLON International GmbH. Dzięki małemu wymiarowi ogniska, np. systemu Y.XST225-VF z lampą rentgenowską o ustawialnej wielkości ogniska, dwukrotne powiększenie fragmentu obrazu uczytelnia jego szczegóły – zobrazowania pęcherzy odlewu (rys. 6a). Przy powiększeniu 3,5-krotnym lub większym, dla wyodrębnienia małych szczegółów obrazu konieczna jest regulacja wielkości ogniska (rys. 6a). Przy zastosowaniu np. systemu Y.XST225-VF z lampą rentgenowską o ustawialnej wielkości ogniska i wyposażenia systemu radioskopii Y.HDR firmy YXLON International GmbH otrzymuje się oczekiwaną jakość obrazów radiograficznych (rys. 6b).

W trzeciej części artykułu zostanie zaprezentowana diagnostyka nieferromagnetycznych rurek urządzeń wymiany ciepła, jaka jest przeprowadzana metodą prądów wirowych. Badania takie stanowią powszechną praktykę w elektrowniach.

Literatura

1. J. Czuchryj: Badania złączy spawanych wg norm europejskich. Wyd. Biuro Gamma, Warszawa 2004
2. J. Czuchryj: Systematyka i przyczyny powstawania wad w złączach spawanych, Wyd. Biuro Gamma, Warszawa 1998
3. J. Hlebowicz: Badanie szczelności urządzeń i instalacji technicznych. Biuro Gamma, Warszawa 2001
4. J. Kielczyk: Badania nieniszczące w technice - film dydaktyczny. Praca dyplomowa magisterska. Instytut Metrologii i Systemów Pomiarowych Politechniki Warszawskiej, 2005. Promotor pracy: A. Lewińska-Romicka
5. J. Kielczyk: Radiografia przemysłowa. Techniki badania z obrazem cyfrowym. Biuro gamma 2006
6. K. Kuczyński: Zastosowanie termowizji w badaniach urządzeń elektrycznych. Elektro info 3/2007
7. K. Kuczyński: Zastosowanie termowizji w badaniach urządzeń elektroenergetycznych. Elektro info 11/2008
8. A. Lewińska-Romicka: Badania magnetyczne, tom I i tom II. Wyd. Biuro Gamma, Warszawa 1998
9. A. Lewińska-Romicka: Badania materiałów metodą prądów wirowych. Wyd. Biuro Gamma, Warszawa 2007
10. A. Lewińska-Romicka: Badania nieniszczące. Podstawy defektoskopii. WNT, Warszawa 2001
11. A. Lewińska-Romicka: Pomiary grubości powłok. Wyd. Biuro Gamma, Warszawa 2001
12. A. Lewińska-Romicka: Metody diagnostyki urządzeń energetycznych w elektrowniach. Badania nieniszczące. Część I. Metody wykrywania powierzchniowych nieciągłości materiałów. Elektro info 3/2009
13. M. Wojas: Wady wyrobów wykrywane metodami nieniszczącymi. Cz. 2. Wady eksploatacyjne. Wyd. Biuro Gamma, Warszawa 2006
14. Materiały Konferencji „Diagnostyka i eksploatacja kotłów parowych w zmodernizowanych blokach energetycznych”; org.: Pro Novum Sp. z o.o., Wisła 1999 15. Materiały Konferencji „Eksploatacja i diagnostyka modernizowanych bloków energetycznych”; org.: Pro Novum Sp. z o.o., Wisła 2000, 2001, 2002, 2003
15. Materiały Konferencji „Diagnostyka i remonty długoeksploatowanych urządzeń energetycznych”; org.: Pro Novum Sp. z o.o., Ustroń 2004, 2005, 2006, 2007, 2008
16. Materiały firmy OLYMPUS NDT
17. Materiały firmy YXLON International GmbH

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!