Развитие методов ультразвукового контроля при техническом диагностировании оборудования предприятий нефтегазовой и нефтехимической промышленности.

Дмитрий Киргизов, эксперт по промышленной безопасностиАвтор - Дмитрий Киргизов, эксперт по промышленной безопасности

Непрерывное повышение требований к надёжности и безопасности работы оборудования предприятий нефтегазовой и нефтехимической промышленности предопределяет широкое применение физических методов и приборов неразрушающего контроля качества. Неразрушающий контроль является неотъемлемой частью технического диагностирования и используется для оценки технического состояния узлов оборудования без применения разрушающих операций, которые могут быть связаны с дополнительными затратами.

Среди методов неразрушающего контроля ведущее положение занимает ультразвуковой контроль. Он основан на способности звуковых волн отражаться от границы раздела двух упругих сред, обладающих разными акустическими свойствами. Принцип работы приборов для ультразвуковой диагностики  состоит в излучении и приеме ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковой контроль отличается многообразием методов, типов применяемых волн, широким диапазоном частот. Методы позволяют выявлять внутренние и наружные дефекты типа трещин, раковин, расслоений, плен и других без расшифровки типа, формы и характера обнаруженных дефектов с указанием их количества, условных размеров и глубины залегания.

Применительно к техническому диагностированию в настоящее время ультразвук чаще всего используется для решения следующих задач:

- ультразвуковая толщинометрия;

- ультразвуковая дефектоскопия.

Ультразвуковая толщинометрия – метод, позволяющий оценить величину утонения металла в результате коррозионного или химического износа, сравнивая значения измеренных величин с проектными.

Принцип метода заключается в следующем. Пьезопреобразователь формирует ультразвуковую волну, которая распространяется в структуре металла. Ударяясь о границу раздела сред, волна отражается и возвращается в преобразователь. Прибор фиксирует время возвращения отраженной волны. По известной скорости ультразвуковых колебаний в металле и времени возвращения волны рассчитывается толщина металла в точке измерения.

Ультразвуковые толщиномеры с каждым годом становятся все более совершенными. На сегодняшний день на рынке появились приборы, позволяющие измерять толщину металла даже через лакокрасочное защитное покрытие. Это нововведение позволяет исключить из технического процесса операцию зачистки и последующего восстановления покрытия при техническом диагностировании трубопроводов или сосудов в антикоррозионной оболочке.

Результатом толщинометрии является протокол замеров в указанных точках и схема расположения этих точек на чертеже оборудования. Особое распространение метод получил при техническом диагностировании нефтегазопроводов, сосудов, работающих под давлением, резервуаров, хранящих разнообразные химические вещества. Развитие толщинометрии и упрощение процесса измерения повышает качество диагностирования обследуемого объекта.

Ультразвуковая дефектоскопия чаще всего применяется для оценки качества сварных соединений. Принцип работы простого дефектоскопа состоит в следующем. Пьезопреобразователь излучает волну внутрь металла сварного шва. Когда волна отражается от дефекта в сварном шве – на экране дефектоскопа формируется импульс определенной амплитуды. Если в сварном шве дефекты отсутствуют, импульс не возникает. Величина импульса сравнивается с эталонной, и согласно нормативной документации принимается решение о допустимости обнаруженных дефектов и годности сварного шва. В заключении по ультразвуковому контролю указываются характер дефекта (протяженный или точечный), амплитуда сигнала, условные размеры дефекта. По результатам заключения принимается решение о работоспособности конструкции в целом.

На сегодняшний день наиболее перспективным направлением развития ультразвукового контроля является технология фазированных решеток. Применение данной технологии на практике при техническом диагностировании оборудования позволяет значительно повысить качество контроля.

Технология ультразвуковой фазированной решётки основана на генерировании ультразвуковых волн и их интерференции. Преобразователь (кристалл) решетки представляет собой множество пьезоэлектрических элементов, собранных в один блок. Наиболее распространенное количество 32, 64 и 128 элементов в блоке. Программируемый генератор контролирует все элементы для формирования лучей. В результате интерференции волн, исходящих от всех элементов, формируется результирующая волна под требуемым углом ввода, и производится сканирование. Затем генератор меняет угол ввода результирующей волны, и процесс сканирования повторяется.

При использовании метода контроля фазированными решётками генерируется ультразвуковой луч с настраиваемыми углом ввода, фокусным расстоянием и размером фокусного пятна. При этом также можно настроить генерирование луча в разных секторах фазированной решётки. Эти функции открывают целый ряд новых возможностей. Например, можно быстро изменить параметры угла и изменить направление сканирования, не передвигая датчик. Таким образом, эта технология заменяет собой целую гамму датчиков и даже некоторые механические компоненты. При контроле лучом с переменным углом коэффициент обнаружения дефектов, как правило, выше вне зависимости от их ориентации. При этом соотношение сигнал-шум остаётся оптимальным. Графически схема формирования результирующей волны с необходимым углом ввода в металл показана на рисунке 1.

 


 

Метод фазированной решетки более усовершенствованный по сравнению с традиционным ультразвуковым контролем, в котором используется одноэлементный преобразователь. Многие прикладные задачи дефектоскопии при техническом диагностировании используют фазированные решётки, благодаря которым контроль осуществляется гораздо быстрее, качественнее и проще.

У фазированных решёток есть неоспоримые преимущества: высокая скорость контроля, высокая вероятность обнаружения дефектов, расширенные возможности по составлению отчётов, улучшенная визуализация процесса контроля, повторяемость результатов и использование одного датчика для всех углов.

Все вышесказанное говорит о том, что с каждым днем возможности ультразвукового контроля постоянно возрастают. Совершенствуется теоретическая база, развивается аппаратура, улучшается интерфейс приборов. Визуализация контроля также идёт в ногу со временем: для облегчения работы оператора в дефектоскопах применяются цветные LCD мониторы с подробной детализацией. Развитие методик документирования и архивирования результатов контроля выводит ультразвуковой контроль на принципиально новый уровень. Если раньше протокол контроля составлялся непосредственно со слов дефектоскописта, то сейчас оборудование позволяет производить автоматическую запись результатов контроля в файл и составлять трехмерное изображение обнаруженных дефектов.

Нельзя не отметить безвредность ультразвуковых методов по воздействию на оператора. При ультразвуковом контроле отсутствуют опасные для здоровья излучения.

Современная аппаратура и технологии ультразвукового контроля являются актуальным и удобным инструментом для решения экспертных задач. Возможность документирования результатов контроля при техническом диагностировании оборудования позволяет эксперту при необходимости воссоздать процесс контроля, более детально изучить структуру сварного шва или металла в нужной зоне, проанализировать обнаруженные специалистом дефекты для принятия того или иного решения по оценке технического состояния конструкции.

В свете вышеизложенного можно сделать вывод о том, что  наблюдающиеся в настоящее время тенденции развития методов ультразвукового контроля при техническом диагностировании объектов нефтегазовой и нефтехимической промышленности, несомненно, отражаются на повышении качества выявления дефектов, формируя новые принципы и инструменты экспертной оценки. Все это дает возможность экспертам более полноценно, комплексно и профессионально анализировать техническое состояние оборудования, что, в свою очередь, повышает качество диагностирования и совершенствует промышленную безопасность в целом.

Дмитрий Киргизов,
эксперт по промышленной безопасности

22.09.2011