|
A „Time-Of-Flight Diffraction” (TOFD) ultrahangos anyagvizsgálati módszer alkalmazása hegesztési varratok vizsgálatára
Szerző: Michael Moles
Olympus NDT
A Time-Of-Flight Diffraction (továbbiakban csak TOFD) ultrahangos vizsgálati technika egyre szélesebb körben elterjedő módszer az olajiparban és egyáltalán az ipari anyagvizsgálatban. Ennek a különleges technikának a segítségével gyorsan és pontosan lehet a varratok belső zónájában folytonossági hiányokat kimutatni, illetve ezek méretét meghatározni. A TOFD képek értelmezése szakértelmet igényel, és a külső és belső felületközeli zónákban a használhatóságát bizonyos korlátozó tényezők csökkentik. Ennek ellenére általánosságban elmondható, hogy a hagyományos impulzus-visszhang módszerrel együtt alkalmazva a vizsgálatok megbízhatóságát jelentősen javítja. Az alábbiakban ismertetjük a TOFD módszert, az előnyeit és korlátait, valamint néhány példát is bemutatunk az alkalmazására. Ismertetjük a legfrissebb, a módszerhez kapcsolódó szabványokat és ajánlásokat, bemutatjuk a vizsgálatok által szolgáltatott adatok értelmezését.
Bevezetés
A TOFD technikát az UKAEA Harwell (jelenleg AEA Technologies) –nél dolgozó Maurice Silk és kollégái (1) kezdték kifejleszteni az 1970-es évek második felében. Megalkottak egy Zipscan névre keresztelt automata ultrahangos vizsgálóeszközt, amely a jelek amplitúdóinak átlagolásával javította a jel/zaj viszonyát. A TOFD előretörésére a nukleáris iparhoz kapcsolódóan a PISC II és a DDT (2,3) próbálkozásai során került sor. Itt nemcsak a jó detektálási (különösen a vizsgált anyag középső tartományában), de a hagyományos ultrahangos technikáknál jobb reflektor-méret meghatározási képessége is megmutatkozott (1. ábra).
1. ábra. Hibaméret-meghatározás a DDT próbetestén többféle UT technika alkalmazásával (balra), és ugyanez csak TOFD vizsgálat eredményeivel (jobbra).
A 80-as évek elejétől kezdve a TOFD az atomenergia-ipar egyik standard módszerévé kezdett válni. Az utóbbi néhány évben a TOFD az olajiparban és egyéb iparágakban is növekvő hangsúllyal van jelen.
Mi is a TOFD?
A TOFD magyarul körülbelül annyit tesz, hogy a „lehasadó jelek futásidő szerinti feldolgozása”. Minden, az ultrahangos vizsgálófejjel besugárzott, anyag belsejében elhelyezkedő hiba csúcsairól hasadnak le hullámok, melyet aztán a vevő fejjel érzékelni tudunk. Az érzékelt jelek futásidejének különbségét aztán pontosan megmérve kapjuk az anyag belsejére vonatkozó információt. A 2. ábra mutatja egy szokásos TOFD vizsgálat elrendezését.
2. ábra. Egy standard TOFD vizsgálat elrendezése.
Normál esetben a TOFD vizsgálat egy adó vevő páros tandem elrendezésen alapszik. A fejek a varrat két oldalán a varrat hossztengelyére szimmetrikusan helyezkednek el. Az előtét-plexik kialakítása olyan, hogy a besugárzás széles szögtartományban, longitudinális hullámokkal történjen. A longitudinális (L) hullám használatára azért van szükség, mert a transzverzális (T) hullámnál nagyobb sebessége folytán ez érkezik meg elsőként a vevőre, és a különböző hullám-átalakulásból származó zavaró jelek ezáltal kiküszöbölhetőek, nem zavarják a kiértékelést (a T hullámok szintén jelen vannak, detektálásukhoz a futásidő-kapu tartományát növelni kell). A vizsgálat során négyféle hullámtípust detektálunk:
- Felületi (laterális) hullám:
|
Közvetlen a felszín alatt terjedő longitudinális hullám. A nagy szögtartományú besugárzás következményeként alakul ki. |
|
|
A hátfalról visszaverődő longitudinális hullám. |
|
|
Réteges vagy sík hibáról visszaverődő longitudinális hullám. |
|
|
Egy hiba csúcsáról lehasadó koncentrikusan terjedő hullám. |
A felületi, hátfal, lehasadó jelek a 2. ábrán láthatóak.
A TOFD előnyei
A TOFD technika hatékony az alábbiakban:
1. kimutatni az anyag belső zónájában elhelyezkedő reflektorokat.
2. a lehasadó jelek futásidő-különbségéből segítséget nyújtani a detektált reflektorok pontos méret-meghatározásához.
3. detektálni még varrat hossztengelyétől eltérő orientációjú, vagy a varraton kívül eső hibákat is.
4. gyors lineáris szkenneléssel végigvizsgálni az anyagot (raszteres szkennelés nem szükséges).
5. a visszhang-amplitúdótól függetlenül kimutatni és jellemezni a hibákat.
6. a hegesztési varrat konfigurációjától független a rendszer beállítása.
A TOFD gyors, gazdaságos vizsgálati módszer. Egy vizsgálófej-páros akár 50 mm (2”) falvastagságot is képes lefedni, nagy sebességű szkennelés mellett. Nagyobb falvastagságokhoz több TOFD vizsgálófej-pár alkalmazására van szükség. 50 mm-nél kisebb falvastagságnál több, különböző mélységi zónára konfigurált fejpár alkalmazása növeli a detektálás megbízhatóságát és/vagy javítja a lokalizálást.
A TOFD korlátai
A TOFD módszer korlátai az alábbiak szerint foglalható össze:
- A külső-és belső felület-közeli zónában holttér jelentkezik.
- Nagyon érzékeny a kisméretű hibákra, és téves detektálást eredményez, ha nem kombináljuk a hagyományos impulzus-visszhang módszerrel.
- A jelek kiértékelése bonyolult, az értelmezésükhöz szakértelemre van szükség.
- A reflektorok (a besugárzási irányban vett) elhelyezkedésének eltéréseiből méret-meghatározási hibák adódhatnak.
- Alacsony jel/zaj viszony.
A fő korlátozó tényezőt a holtterek jelentik. A TOFD-nál két helyen jelentkezik holttér. A külső-és belső felület-közeli zónákban. Az itt elhelyezkedő hibákat általában nem sikerül kimutatni. Ezek a tartományok a TOFD képen a felületi hullám és a hátfal-jel közelébe eső területek. Kiterjedésük függ a vizsgálófejek konfigurációjától, frekvenciájától és csillapításától. Például egy 7,5 MHz-es kristályú fejpáros esetén a felületi zóna holtterének mélysége 3mm, még a hátfal-zóna holttere kb. 1 mm. Alacsonyabb frekvenciánál kisebb csillapítású vizsgálófejekkel nagyobb, magasabb frekvencia és növelt csillapítás mellett kisebb holtteret érhetünk el . A TOFD vizsgálófejek frekvenciája általában néhány MHz-el magasabb, mint az impulzus-visszhang technikánál használtaké. Pl. ahol csővezetékek hagyományos vizsgálatánál 7,5MHz T hullámú fejet használhatunk, ugyanott a TOFD vizsgálófejek 10MHz L hullámúak.
A vizsgálandó tartomány 100% lefedettségéhez a TOFD-ot a hagyományos impulzus-visszhang módszerrel kell társítani. Az impulzus-visszhang technika erőssége a hátfal-közeli és arra kifutó repedések detektálása, de gyengébb a közbenső zóna vonatkozásában. Ennek okán a két módszer erőssége éppen kiegészíti egymást. És ezért gyakran alkalmazzák őket együttesen csővezetékek vizsgálatánál és általában varratvizsgálatoknál.
Alternatív beállítások lehasadó hullámokra
A hanghullámok lehasadása általános ultrahangos jelenség, és nem korlátozódik csak a standard TOFD vizsgálatok longitudinális-longitudinális lehasadó hullámaira. Ez az ismertető csak a standard TOFD konfigurációval foglalkozik, azaz a 2. ábra szerinti elrendezésben a L-L hullámok detektálására beállított TOFD vizsgálattal, csővezetékek és tartályok varratainál.
Egyéb lehetőségek a TOFD alkalmazására:
- transzverzális-transzverzális lehasadó jelek detektálása
- longitudinális-transzverzális lehasadó jelek detektálása
- egyedülálló vizsgálófej lehasadó jelek detektálására („lehasadó visszhang” vagy japánban „csúcsjel-módszer”-nek hívják)
- páros TOFD vizsgálófejek alkalmazása, ahol is mindkét fej a hibahely/varrat azonos oldalán helyezkedik el
- komplex vizsgálatok, pl. becsatlakozó csőcsonkoknál.
Jellegzetes TOFD képek
A TOFD képek a hegesztési varrat függőleges irányú szeletei egymás mellé sorakoztatva. A felületi hullám a külső felületet jelképezi, a hátfaljel a vizsgálófejek letapogatási felületével ellentétes belső felületet. Minden, e két jel közé eső indikáció egy lehasadó jel. A 3. ábra egy jellegzetes TOFD képet mutat.
3. ábra. Jellegzetes TOFD kép. A felső sáv a külső, az alsó a belső felületről jövő jelek összessége. A megjelenített tartományban négy (jelzett) hiba található.
A TOFD képek általában szürkeárnyalatos módon jelenítik meg a teljes RF hullámalakot. A hullámfázisra vonatkozó információt a sötétebb-világosabb árnyalatok hordozzák. Amint az a 2. ábrán látható, a hullámalakok fázisa is azonosítható, illetve a reflektorok csúcsai is azonosíthatóak a hullámok fázisa által. A felületi és a hátfaljel, valamint a hiba alsó-és felső csúcsának lehasadó jelei is ellentétes fázisban vannak.
Hibamélység-mérés
Míg az anyagban lévő hibák jelenléte a képernyőn megjelenő hullámforma zavaraiból tisztán megállapítható, addig ezek kiterjedésének megállapítása már nehezebb feladat. Ha egy reflektor nagyon kicsi (az adóimpulzus lecsengési távolságánál kisebb ~ <3mm), nem vehető ki a felső és alsó csúcsáról lehasadó jel. Ha ezeket el tudjuk különíteni egymástól, a köztük lévő távolságot, vagyis a futásidők különbségét a kurzorok segítségével mérni tudjuk, és egy egyszerű képlettel kiszámíthatjuk az adott hiba mélységét (4. ábra). Az 5. ábra egy sematikus vázlata ennek a TOFD képen történő megvalósítására.
4. ábra. A hibamélység-meghatározás geometriai vázlata.
5. ábra. A kurzorok beállítás a hibamélység meghatározásához.
Szabványok
E cikk megírásának idején az ASTM TOFD ASTME-2373-04 szabvány van érvényben.
Az ASME jelenleg egy TOFD szabvány vázlatot tartalmaz, mely éppen kodifikálási stádiumban van.
Két európai irányelv létezik, a BS7709 és az EN583-6 (4,5). Ezek a kvázi-szabványok részletes útmutatást adnak a aTOFD-vel kapcsolatban, de nem kötelező érvénnyel.
Az ASME elfogadott egy TOFD Interpretation Manual (6) iránymutató függeléket (Nonmandatory Appendix N). Ebben a cikkben bemutatott ábrák is ebből a függelékből származnak.
A TOFD alkalmazásának egyik korlátja a megfelelő szabványok hiánya. Ezen hiányosság kiküszöbölése jelenleg is folyamatban van. Az anyagvizsgálattal foglalkozó cégek a TOFD ajánlásokat alkalmazzák, de jogi fennhatóság nélkül.
Jelenleg az egyetlen, általános érvénnyel, de nem hivatalosan elfogadott előírás az ASME 2235 (7) irányelve, melyet a világban a TOFD szabványaként elismernek.
TOFD példák
Belső felületre kifutó repedés
Ez a fajta hiba (6) a felületi hullám terjedését nem akadályozza. A hátfaljel folytonossága azonban a kérdéses helyen, a hiba hosszirányú kiterjedésével arányos szakaszon megszakad. Ekkor a hiba mélységét már a fent említett képlettel, vagy az anyagvastagságra való hitelesítéssel számíthatjuk.
6. ábra. A TOFD képalkotás vázlata, és egy belső felületre kifutó hiba által okozott eltérés a TOFD képen.
Külső felületre kifutó repedés
Ez a hibatípus a felületi hullám terjedését gátolja. A TOFD képen látható a felületi hullám jelének megszakadása. Ez segít annak az eldöntésében, hogy a kérdéses repedés felületre kifutó repedés-e (ha a felületi hullám nem törik meg, és a repedés csak felület-közeli, de nem kifutó). A törési pontok közti hullámszakasz és a felületi hullám közti távolság arányos a repedés mélységével. Egy repedés, akár kifut a felületre, akár közvetlen a felszín alatt helyezkedik el, de kis mélységű (1-2 mm), akkor a TOFD jelek számára láthatatlan marad. Szerencsére az ilyen, felületközeli hibák a hagyományos ultrahangos technikával általában jól kimutathatóak.
A 7. ábrán egy ilyen fent vázolt hiba TOFD vizsgálata látható.
7. ábra. Külső felületre kifutó repedés TOFD vizsgálati sémája (fent). A bal alsó ábrán látható a repedés elhelyezkedése, tőle jobbra a keletkező kép, melyen látható a repedés TOFD képe.
Középső zónában elhelyezkedő hibák
A vizsgált varrat középső tartományában elhelyezkedő hibák esetén a felületi és a hátfal jelek sértetlenül megjelennek a képernyőn. A kettő között jelennek meg a hiba felső és alsó csúcsáról lehasadó jelek (8. ábra). Ezek a jelek nagyon jól kirajzolják a kérdéses hiba profilját. A mélységi méretét közvetlenül a csúcsokról lehasadó jelek közti távolság mérésével megkapjuk. A képen megfigyelhető a felső és alsó csúcsokról jövő hullámok 180˚ fokos eltérése. A felső csúcs mindig fehér-fekete-fehér, az alsó mindig fekete-fehér-fekete sávként rajzolódik ki.
A TOFD képen a repedés csúcsáról kapott (felső) sáv bal szélénél látható egy hiperbolikus görbe jellegű hullámsáv. Ez hasonló a pontszerű hibákról kapott indikációhoz, és lehetővé teszi a a hiba hosszának pontos meghatározását.  8. ábra. A hiba elhelyezkedése az X varrat gyökzónájában az anyag belsejében (balra), és annak TOFD képe (jobbra).
Ha a belső hiba orientációja hasonlatos a 15. ábrán láthatóhoz, és/vagy mélység irányú kiterjedése kicsi (kisebb mint az ultrahangos impulzus lecsengésének hangútja, néhány mm), a felső és alsó csúcsokról jövő jelek nem különíthetőek el egymástól. A TOFD kép ilyenkor összeolvadási hiány képét mutatja. A méretet ebben az esetben nem lehet meghatározni. Az értékelést végző személy ilyenkor azt tudja csak mondani, hogy a hiba kisebb, mint az adóimpulzus lecsengési távolsága (ami a frekvencia, csillapítás, stb. függvénye).
Az ilyen típusú (9. ábra) hosszú varratoknál a TOFD igen hatékony technika a belső zónában elhelyezkedő hibák detektálásához és méretének meghatározásához.
9. ábra. Egy X varrat keresztmetszetének csiszolata és annak középső zónájában elhelyezkedő hiba TOFD képe.
Gyök-összeolvadási hiány
A TOFD szempontjából ez a fajta hiba hasonlatos a fentebb említett belső felületre kifutó repedéshez. A hiányos gyök erős lehasadó (vagy pontosabban fogalmazva visszaverődő) jelet kelt. Ennek a jelnek a fázisa ellentétes a hátfaljelhez képest (10. ábra). Hogy ez a jel lehasadó, vagy visszaverődő, annak a TOFD jellemzés szempontjából nincs jelentősége.
Figyeljük meg a 10. ábrát. A hátfaljel felett megjelenik a gyökhiányból adódó indikáció, de maga a hátfaljel is végig látható marad. Ebben az anyagban még látható néhány kisebb pontszerű hiba és anyagszerkezeti inhomogenitás, ami teljesen szokványos jelenség. A TOFD tulajdonsága, hogy kihangsúlyozza az ilyen eltéréseket, ami a hagyományos ultrahangos módszerrel általában láthatatlan marad.
10. ábra. Gyök-összeolvadási hiány elhelyezkedése az anyagban és annak TOFD képe.
A konkáv felületű gyökhibák (gyök-beszívódás) a gyök-összeolvadási hiánnyal hasonló képet adnak (11. ábra). A hiba csúcsa megjelenik a TOFD képen, és jó közelítéssel kirajzolja a hiány keresztmetszetét. A hátfaljel ugyan látszik de itt – amint az várható is- kisebb deformáció tapasztalható.
11. ábra. Gyök beszívódás egy V varratnál és annak TOFD képe.
Összeolvadási hiány az összeolvadási zónában
A varratanyag és az alapfém összeolvadási felületén összeolvadási hiányok fordulhatnak elő. Egy ilyen eset látható a 12. ábrán. Az ilyen típusú hibák TOFD szempontból hasonlatosak a középső zónában elhelyezkedő hibákhoz, két különbséggel. Az első, hogy a hiba az alapfém hegesztési élkiképzésének megfelelő orientációjú. E hiba ferde síkja a TOFD számára nem jelent akadályt. A második, hogy a hiba felső csúcsáról kapott jelrészlegesen beleolvadhat a felületi hullám jelébe, mint az ábrázolt esetben is. Ennél a példánál a felső hibacsúcs jele kivehető, mert a felületi hullám-jel amplitúdójára szuperponálódik, megnövelve azt. Ha nem így nézne ki a hiba képe, a kiértékelő számára a mélységének meghatározása nehézséget okozhatna.
12. ábra. Az összeolvadási hiány elhelyezkedése az alapfém és a varratanyag között a falvastagság középső tartományában, és ennek TOFD képe.
Porozitás
A porozitás sorozatos hiperbolikus jellegű, változó amplitúdójú görbék formájában mutatkozik meg a TOFD képen (13. ábra), hasonlóan a pontszerű hibákhoz. A porózus anyag közelálló, kisméretű légbuborékainak jelei összeadódnak. Ez az egyes pontszerű hibák jellemezhetőséget rontja, de a porozitás jelleget egyértelművé teszi.
13. ábra. A porozitás elhelyezkedése a varratban, és annak TOFD képe.
Keresztirányú hibák
A varrat hossztengelyére (közel) merőleges síkban elhelyezkedő hibák nem igazán jellemzőek a hosszvarratokra. Hagyományos ultrahangos módszerrel, a varratra merőleges besugárzási irányú letapogatással nem is igazán lehet őket kimutatni. A 14. ábra TOFD képén látható az ábrázolt keresztirányú repedés tipikus megjelenési formája. Ez a pontszerű hibához hasonló karakterisztikát mutat hiperbolikus jellegű karakterisztikát mutat. E kép alapján nem lehet megkülönböztetni egy keresztirányú repedést és egy felületközeli porozitást. Ennek megállapításához további, kiegészítő vizsgálatok szükségesek.
14. ábra. Egy külső felületre kifutó keresztirányú hiba és TOFD képe.
Varratsorok közti összeolvadási hiány
Többsoros hegesztési eljárás esetén az egyes varratsorok közt a felülettel párhuzamos síkú összeolvadási hiány alakulhat ki. Ezt a jellegzetes hibát transzverzális hullámú impulzus-visszhang módszerrel nem tudjuk kimutatni. A TOFD képes erre. Ez a hibatípus jellegzetesen egy önálló, nagy amplitúdójú jelként jelentkezik a felületi-és hátfaljel közti tartományban (15. ábra). Ha enne a jelnek a hosszirányú kiterjedése elég nagy, akkor egyértelműen megkülönböztethető a porozitástól, vagy pontszerű hibától. A repedéscsúcsok nem különülnek el egymástól, mivel ezek vertikális irányban közel azonos helyen vannak. A képen megfigyelhető a felületi hullámmal ellentétes hullámfázis is.
Szerencsére ez a hibatípus nem annyira veszélyes, mint a felületre merőleges elhelyezkedésű hibák. Hagyományos, merőleges besugárzással történő impulzus-visszhang módszerrel jól kimutatható, ha a varratkoronát leköszörülték.
15. ábra. A varratsorok közti összeolvadási hiány elhelyezkedése és annak tipikus TOFD képe.
Jellegzetes TOFD szkennelési problémák
A többi ultrahangos módszerhez hasonlóan a TOFD szkennelésnél is előfordulhatnak nehézségek. Néhány fő dolog ezek közül:
- Nem megfelelő erősítés (túl kicsi vagy nagy)
- Rossz kapubeállítások
- Nem megfelelő vizsgálófej-szeparáció (az adó-és vevő vej közötti távolság)
- Rossz csatolás
- Erős zaj
Összefoglalás
A TOFD technika hatékony vizsgálati módszer. A varratok és azok hőhatás övezetének vizsgálatakor a következő fő előnyöket kínálja:
- Jó hiba-kimutatási képesség az anyag belső zónájában.
- Pontos hibaméret-meghatározás a lehasadó jelek futásidejének különbsége alapján.
- Jó detektálási képesség a ferdén elhelyezkedő és/vagy a varratközéptől távolabb eső hibák esetén is.
- Gyors lineáris szkennelés.
- Amplitúdó-független értékelés.
- Varratgeometriától független beállítás.
A TOFD technika gyors és gazdaságos, egy vizsgálófej párossal akár 75 mm-es (3”) falvastagságot is le lehet fedni. Nagyobb falvastagságú anyagok vizsgálata is lehetséges több vizsgálófej-pár alkalmazásával.
A többi vizsgálati technikához hasonlóan, a TOFD-nak is vannak korlátai, melyekkel a vizsgálatot végzőknek tisztában kell lenniük. Elsődleges korlát a külső-és belső felületközeli tartományokban jelentkező holttér, ahol is a hibák általában nem mutathatóak ki. Ezeknek a holttereknek a tartománya függ a TOFD beállításoktól, frekvenciától, csillapítástól. Alacsonyabb frekvencia és kis csillapítás nagyobb, magasabb frekvencia és nagyobb
csillapítás kisebb holtteret eredményez. A TOFD-nál alkalmazott vizsgálófejek frekvenciája általában néhány MHz-el magasabb, mint a hagyományos technikáknál használatos fejeké.
A korlátozó tényezők összefoglalása:
- Holttér a külső-és belső felületközeli zónákban.
- Nagyon érzékeny a kisméretű hibákra, a téves detektálás elkerüléséhez ajánlatos együtt alkalmazni az impulzus-visszhang módszerrel.
- A TOFD képek értelmezése bonyolult, szakértelmet igényel.
- A beállításokat igen körültekintően kell elvégezni.
- A középsíktól távol elhelyezkedő hibák méret-meghatározási pontatlanságot eredményeznek.
- Alacsony jel/zaj viszony.
Szakirodalom
1. Silk M.G., 1979, “Defect Sizing using Ultrasonic Diffraction”, British Journal of NDT,, p. 12.
2. PISC, 1997, Welding Research Council Bulletin 420, Abstracted by S.H. Bush, Ch. 7.
3. Charlesworth J.P. and J.A.G. Temple, 1989, “Ultrasonic Time of Flight Diffraction”, Research Studies Press.
4. BS7706, “Guide to Setting Up and Calibration of the Ultrasonic Time-Of Flight Diffraction (TOFD) Technique for the Detection, Location and Sizing of Flaws”, BSI
5. EN583_6, “Nondestructive testing – Ultrasonic examination - Part 6 : Ultrasonic time-of-flight diffraction technique as a method for defect detection and sizing”.
6. ASME Version of Article 4 (Draft 2), Nonmandatory Appendix N, “Time-Of Flight Diffraction (TOFD) Interpretation”. In progress.
7. ASME Code Case 2235-4, “Use of ultrasonic examination in lieu of radiography Section I and section VIII, Divisions 1 and 2”, November 30, 2001. |
