Новый подход к контролю продольного шва

 

В конце декабря 2012 года компания «Цифра» (Цифровая Радиография)  завершила  работы по запуску нового рентгенотелевизионного оборудования в 4-м трубном цеху Выксунского Металлургического Завода (ВМЗ).

Взамен 5-ти рентгенотеливизионных систем, построенных на РЭОПах фирмы Siemens, была поставлена система PWJ Tester **, созданная по технологии ITSM на базе плоскопанельных детекторах (ППД) фирмы Perkin Elmer и программного комплекса DiSoft.

Система обеспечивает чувствительность контроля не хуже 1% при радиационной толщине от 12 мм до 45 мм на скорости 4м/мин.

Причиной замены установок послужило желание завода иметь более высокую контрастную чувствительность при скорости контроля до 4 метров в минуту.

Две рентгенотелевизионных системы из пяти были поставлены на установки по контролю концов труб.

Три идентичные рентгенотелевизионные системы были поставлены на установки контроля продольного шва.

После проведения пусконаладочных работ и последующих испытаний все системы были признаны соответствующими техническому заданию и запущены в эксплуатацию.

В техническом задании требовалось поставить пять взаимозаменяемых установок, которые при скорости контроля до 4 метров в минуту в диапазоне толщин от 8 мм до 45 мм обеспечивали бы чувствительность контроля, соответствующую DNV по классу А для контроля через одну стенку в динамике:

 (Таблица 5-2 стандарта DNV)

-Nominal thickness, t,

(mm)

Nominal wire diameter

(mm)

IQI value

7 < t ≤ 10

0.20

W13

10 < t ≤ 15

 

0.25

W12

15 < t ≤ 25

 

0.32

W11

25 < t ≤ 32

 

0.40

W10

32 < t ≤ 40

 

0.50

W9

40 < t 55

 

0.63

W11

И обеспечивали бы чувствительность контроля соответствующую DNV по классу B  для просвечивания через одну стенку в статике:

(Таблица 5-3 стандарта DNV)

-Nominal thickness, t,

(mm)

Nominal wire diameter

(mm)

IQI value

6 < t ≤ 8

0.125

W15

8 < t ≤ 12

0.16

W14

12 < t ≤ 20

0.20

W13

20 < t ≤ 30

0.25

W12

30 < t ≤ 35

0.32

W11

35 < t 45

 

0.40

W10

45 < t 65

 

0.50

W9

Nominal thickness, t: The nominal thickness of the parent material only. Manufacturing tolerances do not have to be taken into account.

Penetrated thickness, w: The thickness of the material in the direction of the radiation beam calculated on the basis of the nominal thickness.

В соответствии с данными определениями и в данной геометрии номинальная толщина (nominal thickness) фактически является радиационной толщиной по центральной оси контроля, то есть суммой толщины металла и усиления шва

Вся механическая система не подвергалась изменению.

В исходной системе при перевалке с одного диаметра на другой меняется только расположение детектора, но не меняется расположение трубки, которая всегда расположена примерно по центру трубы (Рис. 1 ),

Рис. 1

поэтому, чем больше диаметр трубы, тем больше фокусное расстояние и меньше доза,

которая обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния:

Поскольку отношение сигнал/шум пропорционально корню из дозы:

            то в такой системе очевидны проблемы с трубами большого диаметра.

Для выполнения задачи был выбран детектор Perkin Elmer с размером сенсора 200х200 мм, размером пикселя 200 микрон и, соответственно, размером кадра 1024х1024 пикселей и полноэкранной частотой кадров 25 кадров в секунду.

Для подавления рассеянного излучения детектор был помещен в вольфрамовый кожух, а на трубку установлены диафрагмы с возможностью юстировки.

Для минимизации  вышеописанных проблем с эффективностью при изменении диаметра контролируемых труб, был выбран вариант детектора со сцинтиллятором из иодида цезия (CsI) толщиной 0.6 мм.

Также выбор детектора был значительным образом обусловлен высокой радиационной стойкостью сборки детектор - вольфрамовый кожух и ожидаемым сроком службы в десять раз превышающий срок службы РЭОПа, что в условиях работы в три смены резко удешевляет стоимость контроля.

Удачным совпадением следует считать отсутствие у детекторов этого типа чувствительности к магнитному полю. В случае РЭОПа намагниченность трубы приводит к значительным искажениям изображения, особенно на концах трубы, где магнитное поле особенно сильное (Рис. 2 ).

Рис. 2

Для обеспечения динамического режима детектор имеет возможность захвата кадров с ¼ поверхности с частотой 100 кадров в секунду (Рис. 3 ), что в значительной степени уменьшает размытие при движении трубы.

Рис. 3

Для обеспечения корректного динамического интегрирования был выбран координатный датчик, обеспечивающий не менее 25 отсчетов на один миллиметр передвижения.

Смысл динамического интегрирования составляет суммирование идентичных строк по мере прохождения объекта вдоль сканирующей системы.

Точная координатная привязка осуществлялась датчиками наличия трубы (Рис. 4 , Рис. 5 ), установленными по обеим сторонам детектора и  обеспечивавшими возможность автоматического определения направления прихода трубы.

 

Рис. 4

 

Рис. 5

 

Для обработки динамического изображения и формирования итоговой картины была выбрана специальная конфигурация компьютера с мощным графическим ускорителем.

В динамическом режиме программный комплекс DiSoft позволяет:

  1. Захватывать изображение с ППД с частотой 100 кадров в секунду.
  2. Получать сигналы с датчика положения и датчиков наличия трубы.
  3. Обрабатывать изображение, осуществляя динамическое интегрирование с формированием малошумящего изображения.
  4. Обрабатывать изображения, осуществляя деконволюцию для подавления смазывания.
  5. Накладывать линейные фильтры для получения высококонтрастного изображения
  6. Выводить изображение на экран в режиме сканирования (Режим 1) и в режиме непрерывного движения (Режим 2).
  7. Существует возможность в режиме сканирования шва выводить индикатор возможных дефектных зон за счет сравнения соседних участков шва
  8. Формировать изображение всего шва длиной до 12 метров, с возможностью детального просмотра и анализа в режиме офлайн и последующей архивации

На трубах, предложенных к испытаниям, все рентгенотелевизионные системы «PWJ Tester **» показали значительное превышение параметров, заявленных в техническом задании.

На Рис. 6 , Рис. 7 приведен участок шва трубы 1020 со стенкой 16 мм и усилением шва 5 мм. Труба сканировалась со скоростью 4 м/мин. Достигнутая чувствительность составила 0.2 мм, то есть 1% от радиационной толщины. По техническому заданию требовалась видимость проволочки 0.32 мм.

Любой участок изображения имеет координатную привязку к трубе  с точностью до 1 мм. Точность обусловлена частотой срабатывания датчиков положения.


Рис. 6

Отдельно участок с эталоном чувствительности.

Рис. 7

Хочется подчеркнуть, что речь идет сейчас о динамическом контроле. То есть в процессе получения этих изображений объект равномерно двигался мимо детектора и рентгеновской трубки на скорости 4 метра в минуту.

Особенностью  динамического контроля является зависимость чувствительности контроля от скорости движения, так как эффективное время интегрирования обратно пропорционально скорости, поэтому скорость сканирования можно увеличивать в зависимости от требований к контролю. Мы увеличили скорость в 2 раза (Рис. 8 ), чувствительность на стенке 16 мм контроля стала 0.32 мм, что по-прежнему соответствует DNV по классу А, несмотря на размывание диаметра проволочки.

 


Скорость сканирования:

4 метра в минуту                                               8 метров в минуту

 

Рис. 8

Динамический режим используется только для обнаружения дефектов. Оценка размеров дефектов и расшифровка снимка всегда проводится по статическому изображению.

Для данного типа детекторов в статическом режиме (режим с накоплением) чувствительность контроля определяется исключительно временем накопления. Для примера приведем изображение плоской пластины толщиной 40 мм (Рис. 9 ). Изображение получено в статике с накоплением 30 секунд на этом же детекторе. Чувствительность контроля 0.16мм или 0.4%.

Характерно, что для получения этого изображения использовалась трубка с максимальным напряжением 225 кВ.

Рис. 9

 

Возможность использование рентгеновских аппаратов напряжением до 225 кВ при просвечивании толщин до 50 мм по стали является одним из преимуществ подобных детекторов. В международном стандарте ASTM 2597-07 «Standard Practice for

Manufacturing Characterization of Digital Detector Arrays» описан объективный метод определения контрастной чувствительности по стандартным клинам с канавкой, составляющей 5% от толщины металла. Числовой характеристикой контрастной чувствительности является  Achievable contrast sensitivity (CSa) – достижимая контрастная чувствительность.

Где Contrast to noise ratio (CNR) – отношение перепада сигнала от канавки от толщины к шуму. Чем меньше достижимая контрастная чувствительность CSa, тем лучше контраст. На Рис. 10 приведены графики зависимости CSa от напряжения на рентгеновской трубке в изоватном режиме для толщин по стали в 10, 20, 30 и 40 мм. Оптимальное напряжение на трубке при этом изменяется незначительно в пределах от 200 до 240 кВ.

Рис. 10

В совокупности с большим динамическим диапазоном и автоматической регулировкой усиления это дает возможность контролировать объекты разной толщины, не перестраивая параметры контроля.

Далее приведен кадр (Рис. 11 ) калибровки в 4 цеху ВМЗ на новых установках PWJ Tester **.

Толщина стенки 25.8 мм, время накопления 2 секунды, чувствительность контроля 0.25 мм или 0.8%


Калибровка на стенке 25.8 мм, диаметр трубы 1420.

Рис. 11

 

Для сравнения приведем калибровку, полученную на той же установке, с тем же источником, с тем же временем экспозиции, но на более тонкой стенке 24 мм, с применением 9-ти дюймового РЭОПа Siemens.

 

Рис. 12

 

Приведем еще несколько изображений с новых установок, как говорится «без комментариев».


Калибровка на стенке 18 мм.

Рис. 13


Калибровка на стенке 12 мм.

Рис. 14


Тестовое изображение на пластине 10 мм с накоплением 40 секунд

Рис. 15

 

 

Программное обеспечение DiSoft явилось результатом многолетнего опыта разработки программного обеспечения для промышленной радиографии.

Основными чертами программы является:

1.      Простота использования

2.      Наличие самых эффективных фильтров, работающих, в том числе в режиме реального времени, так как все математические операции производятся на графическом вычислителе

3.      Перенастраиваемые базы данных, позволяющие подключатся к заводским информационным системам, по технологии ODBC, формировать диалоговые окна и формы отчетов на уровне пользовательского интерфейса. Система баз данных включает в себя инструменты для резервного копирования, полного или частичного переноса, экспорта отдельных файлов, перемещения файлов между базами данных

4.      Использование формата DICONDE, принятого в Европе и США, как стандартного формата для неразрушающего контроля. Данный формат позволяет включать в себя всю дополнительную информацию параллельно с внесением ее в базу данных, автоматически генерирует идентификационные тэги, что исключает возможность различного рода фальсификаций

5.      Использование высокоэффективных алгоритмов сжатия, входящих в формат DICONDE, позволяющих сжимать изображения до 10 раз с потерей качества на уровне естественного шума

6.      Возможность архивирования изображения всего шва длиной 12 метров в единый файл

7.      Возможность подключения различных систем получения рентгеновского изображения: РЭОП, сканер фосфорных пластин, дигитайзер рентгеновских пленок и прочих устройств

8.      Техническая поддержка от производителя

Система фильтров программы позволяет перенастраивать активные фильтры, так чтобы они наиболее лучшим образом подходили для того или иного вида пары детектор-объект контроля (Рис. 14 ). Причем эти фильтры применимы, как для статической картинки, так и для живого видео.

Исходное изображение:                                  Улучшенное изображение:

 

Рис. 16

 

В заключение отметим, что новые технологии, как в сфере детекторов, так и в сфере математической обработки позволяют вывести рентгеновский контроль на новый уровень, как по скорости, так и по чувствительности контроля.

Производительность рентгеновского контроля продольного шва становится не хуже, чем производительность ультразвукового контроля при лучшем качестве.

Компания цифра внимательно следит за всеми технологическими новшествами и не жалеет сил и средств для внедрения новых технологий в поставляемые продукты.

 

Генеральный директор компании «Цифра»

доктор технических наук

Майоров Александр Аркадьевич