Трубы из полиэтилена высокой плотности (ПВП) часто используют вместо углеродистой стали из-за высокой стойкости к износу и коррозии при более низкой стоимости.
Трубы из полиэтилена высокой плотности (ПВП) часто используют вместо углеродистой стали из-за высокой стойкости к износу и коррозии при более низкой стоимости. Процессы сварки встык и электроплавки, являются наиболее распространенными процессами соединения трубопроводов из полиэтилена высокой плотности. Дефекты сварных швов включают плоские дефекты из-за некачественных процессов сварки, сварные швы холодным плавлением, вызванные неправильными процедурами сварки, включения частиц и несоответствия сварных швов. Для сравнения, распространенные проблемы со сварными швами во время производства включают пустоты, непровар и неправильный цикл нагрева, приводящий к слабому соединению.
Полиэтилен высокой плотности (ПВП) представляет несколько проблем для ультразвукового контроля, чтобы обнаружить любой из этих распространенных дефектов. Одна из распространенных проблем - это высокое затухание, препятствующее использованию поперечных волн, даже продольные волны глубоко затухают (0,3-0,5 дБ/мм на 2,25 МГц); поэтому сбор данных часто ограничивается кратчайшим возможным диапазоном контроля. Продольная скорость звука в полиэтилене высокой плотности составляет от 2150 м/с до 2500 м/с, как и у стандартных клиньев Rexolite; это затрудняет создание лучей с большим углом.
Повышение производительности
Было исследовано несколько ультразвуковых методов для оценки их чувствительности к обнаружению дефектов: дифракционно-временной метод (TOFD), ультразвуковой контроль с фазированной решеткой (PAUT) и метод полной фокусировки (TFM).
В разделе V статьи 4 ASME ( American Society of Mechanical Engineers или Американское общество инженеров-механиков) ультразвуковой контроль сварных соединений труб из полиэтилена высокой плотности описан в обязательном Приложении X для всех ультразвуковых методов. Кодекс требует, чтобы для всех классических параметров, связанных с проверкой калибровки, настройками чувствительности, методом определения размера и планом сканирования, охват проверки включал поверхность сплавления ± 8 миллиметров (0,3 дюйма) с каждой стороны.
Чтобы проиллюстрировать возможности каждого метода, мы использовали два образца: 17- и 35-миллиметровые (0,7- и 1,4-дюймовые) стыковые швы, содержащие несколько дефектов.
Образец диаметром 17 мм содержит трещину между двумя валиками вдоль основания и отверстие диаметром 3 мм (0,1 дюйма) с плоским дном. Образец диаметром 35 мм (1,4 дюйма) содержит три 1-мм боковых отверстия (SDH) с одной стороны и набор из девяти боковых отверстий (SDHs) близко друг к другу с 4-миллиметровым надрезом вдоль задней стенки с другой стороны. Некоторые из этих дефектов показаны на следующих изображениях.
Дифракционно-временной метод (TOFD)
Было задокументировано, что при помощи метода TOFD можно обнаруживать дефекты в материале полиэтилена высокой плотности (ПВП). Чтобы полностью проверить объем стыкового сварного шва диаметром 35 мм (1,4 дюйма), использовалась комбинацию двух конфигураций TOFD. В первом используется пара датчиков 2 МГц диаметром 5 мм (0,2 дюйма); призмы изготовлены из низкоскоростного материала, близкого к воде. Это позволяет генерировать волны, преломленные на 60°. Центральное пространство зонда (PCS) составляет 85 мм (3,3 дюйма) для создания точки пересечения на уровне двух третей толщины; это проверяется с использованием времени прихода боковой волны и/или донных эхо-сигналов. Во второй паре используются традиционные призмы L70 Rexolite. Лучи пересекаются относительно глубоко с очень малым углом.
Частота боковой волны и донных эхо-сигналов была измерена с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ), оцененного в диапазоне от 1 до 0,7 МГц с полосой пропускания 85% и 100% при –6 дБ соответственно. Подошва с преобразованными модами не обнаружена, что подтверждает невозможность распространения поперечных волн в этих образцах. Более низкое частотное содержание также приводит к большему расхождению луча как в активной, так и в пассивной плоскости. Планы сканирования показаны на следующих изображениях.
На следующих изображениях показаны результаты, полученные для обеих конфигураций без использования предварительного усиления или фильтрации. Шум, измеренный для каждой конфигурации, составляет менее 10% в соответствии с требованиями ASME, раздел V, статья 4. Отношение сигнал/шум (SNR) измеряется выше 20 дБ для всех дефектов. На первом рисунке, полученном с низкоскоростными клиньями L60, слева на механическом скане видно, что обнаружена только среднее боковое отверстие (SDH); верхнее и нижнее отверстие находятся в мертвых зонах. С правой стороны обнаружены множественные эхо-сигналы для группы из девяти боковых отверстий, хотя их невозможно различить по отдельности. Длина волны больше, чем расстояние между боковыми отверстиями (SDH).
Нижнее боковое отверстие (SDH) слева и выемка обнаружены и рассчитаны с использованием конфигурации L70 Rexolite.
Ультразвуковой контроль с фазированной решеткой (PAUT)
Все результаты PAUT были получены с использованием датчика 64L2.25-G3, т. е. 64-элементного датчика с частотой 2,25 МГц, шагом 0,6 мм (0,02 дюйма) и высотой 10 мм (0,4 дюйма). Мы оценили чувствительность обнаружения с использованием различных призм: гибкой призмы, состоящего из резиновой мембраны, заполненной водой, типичной призмы из Rexolite с углом сдвига 55°, а также мы испытали ПЭП в прямом контакте с трубами из полиэтилена высокой плотности. Для каждой конфигурации применяется усиление с поправкой на время (TCG) для компенсации чувствительности на различных глубинах.
Преобразователь с призмой погруженной в воду
На следующих изображениях показаны результаты, полученные с призмой погруженной в воду. Этот способ хорошо подходит для различных диаметров труб. Калибровка задержки призмы выполняется для определения угла и высоты клина . Закон задержки представляет собой проекцию, которая фокусируется на поверхности слияния с использованием полной 64-элементной апертуры. Все 1-мм (0,4-дюймовые) боковые отверстия (SDH) обнаруживаются с высоким соотношением сигнал/шум (SNR) 25 дБ. Частота нижнего бокового отверстия SDH измеряется на уровне 1,5 МГц с шириной полосы 40%. Как и результаты TOFD, PAUT не может различить девять боковых отверстий (SDH), расположенных близко друг к другу, из-за длины волны 1,6 мм (0,06 дюйма). Клиновидное эхо видно позже, после 8 мм (0,3 дюйма) необходимого объема исследования.
С использованием призмы из Rexolit.
Затем мы использовали стандартную призму SW55 Rexolite, сравнивая 32- и 64-элементные апертуры. Из-за одинаковой скорости между Rexolite и HDPE угол преломления составляет 36° для L-волн. Точно так же, как для призмы в водяной ванне, мы фокусируем энергию вдоль грани слияния. Импортируется 2D-файл CAD трубы из полиэтилена высокой плотности, чтобы увидеть сварные швы на поверхности и в корне.
Трассировка лучей показывает, что большие углы попадают в переднюю часть призмы. Таким образом, трудно проверить верхнюю часть поверхности сплавления, включая 8 мм (0,3 дюйма), расположенную на противоположной стороне; для полного охвата потребуется осмотр с другой стороны. Секторное сканирование как для 32-, так и для 64-элементной апертуры показывает четкое обнаружение трех SDH.
Контроль выреза с двумя конфигурациями показывает, что 64-элементная апертура обеспечивает лучшее пространственное разрешение и отношение сигнал/шум (24 дБ против 16 дБ). Также наблюдается лучшее различие между угловым эхо-сигналом и дифракцией на конце из-за меньшего пятна луча. Апертура из 64 элементов была бы очень полезна для более толстых труб.
Та же конфигурация была применена к образцу диаметром 17 мм (0,7 дюйма). На следующих изображениях показаны результаты, полученные для FBH и трещины, обнаруженной с SNR 16 и 24 дБ соответственно. Комбинация инструментов импорта СAD и экспорта 3D, доступных в программном обеспечении Capture™ 3.1, показывает два дефекта в трехмерном представлении геометрии.
Без призмы
Наконец, мы использовали преобразователь непосредственно на трубе. Передняя поверхность преобразователя адаптирована для Rexolite и, таким образом, также адаптирована для HDPE. Мы можем видеть сильное поверхностное эхо, но оно выходит за пределы области исследования 8 мм (0,3 дюйма), требуемой нормами. Эта конфигурация позволяет обнаруживать все дефекты без каких-либо эхо-сигналов от призмы. Несмотря на нормальное падение, конфигурация без призм позволяет обнаруживать верхнюю SDH. Высокое затухание приводит к более низкому содержанию частот; шаг зонда становится довольно малым по сравнению с длиной волны. Таким образом, конфигурация не создает никаких лепестков решетки.
Метод полной фокусировки (TFM)
Затем мы оценили метод TFM для проверки образцов HDPE. При выполнении FMC/TFM мы запускаем каждый элемент по отдельности. Хотя в процессе реконструкции используются полные 64 элемента, возбуждения только одного элемента может быть недостаточно при проверке толстых и затухающих материалов. Eddyfi Technologies разработала новый процесс TFM под названием Plane Wave Imaging (PWI). Вместо того, чтобы запускать элементы один за другим, система выполняет секторное сканирование с несколькими углами для излучения и TFM для реконструкции. Одновременное срабатывание всех элементов посылает больше энергии в часть, что приводит к лучшей чувствительности.
Мы использовали PWI с секторным сканированием от 35 до 85 ° и шагом 3 ° для проверки образца 35-мм (1,4 дюйма) HDPE. Результаты представлены с использованным коэффициентом усиления и достигнутой скоростью сканирования.
Усиление, необходимое для PWI, на 17 дБ меньше по сравнению с FMC/TFM. Мы можем видеть, что электрический шум начинает появляться, если смотреть на выемку. SNR, измеренное для дифракции на кончике, составляет 13 дБ, а для PWI — 28 дБ. Это особенно важно при работе с толстыми компонентами из полиэтилена высокой плотности. Общий уровень энергии, а значит, и чувствительность, зависит от количества углов, используемых в процессе PWI/TFM. Таким образом, можно улучшить еще больше, используя больше углов для излучения. Мы видим, что скорость сканирования также увеличилась более чем в три раза.
Большинство дефектов стыковых сварных швов ПЭВП располагаются вертикально вдоль поверхности сплавления. Одним из преимуществ TFM является возможность обнаружения дефектов по множеству путей или режимов. Нечетные режимы, то есть режимы с нечетным числом путей, хороши для обнаружения вертикальных признаков. Один из этих режимов, LLL, осуществляется, когда ультразвук распространяется внутри детали прямой продольной волной, отражаясь от задней стенки, достигая каждого пикселя области TFM и возвращаясь к преобразователю при сохранении типа продольной волны. Поскольку поперечные волны не распространяются, преобразования потенциальных мод после отражения от задней стенки не происходит. На следующих рисунках поясняется косвенный нечетный режим.
Следующие результаты были получены в области без дефекта (вверху) и с отсутствием сращения (внизу). В результатах без дефекта наблюдается слабая вертикаль, которая является дифракцией из-за валика сварного шва вдоль корня. В области с дефектом четко виден вертикальный эхосигнал на ТСМ-изображении, а также на изображениях Д- и С-сканирования. Режим LLL может дополнять прямой режим.
В то время как ПЭВП представляет несколько проблем для ультразвукового контроля, прибор M2M Gekko® в сочетании с программным обеспечением Capture предоставляет все инструменты, необходимые для простых и точных проверок, начиная с улучшенных каналов TOFD и 64-элементной апертуры для PAUT и PWI для TFM.
Испытайте наши передовые решения для контроля! Свяжитесь с нашими экспертами по неразрушающему контролю, чтобы обсудить ваши сложные оценки трубопровода и остаться за пределами текущего
