obrPríspevok sa zaoberá možnosťami kontroly obvodových tupých zvarov na plynovodných potrubiach s hrúbkou steny do 8 mm ultrazvukovou technikou phased array. Možnosť použitia ultrazvukovej techniky aj pre rúry s hrúbkou steny do 8 mm umožní v plynárenskej praxi rozšírenie ultrazvukových kontrol aj na potrubia, ktoré sú v súčasnosti kontrolované iba prežiarovacou metódou. Ultrazvuková kontrola by mohla v plnej miere nahradiť skúšku prežiarením, čím by sa zvýšila operatívnosť a flexibilita NDT kontrol pri budovaní a opravách plynovodov.
Pri konvenčnej ultrazvukovej kontrole tupých zvarov s hrúbkou základného materiálu pod 8 mm je ultrazvuková kontrola obmedzená najmä z pohľadu spoľahlivosti metódy, keď z dôvodu konštrukcie sondy nie je možné „prezvučiť“ celý objem zvaru (najmä oblasť koreňa). Jednou z možností je použiť miniatúrne konvenčné uhlové jednomeničové sondy, ktorých spoľahlivosť je tiež obmedzená hlavne z dôvodu šírenia ultrazvukového lúča iba pod jedným uhlom. Táto vlastnosť jednomeničovej sondy môže spôsobiť prehliadnutie určitých typov plošných chýb, ktoré majú vo zvare nevhodnú orientáciu spôsobujúcu odraz energie mimo sondy.

* * * * *
Úlohou nedeštruktívneho skúšania v strojárskom a energetickom priemysle je rýchlo a spoľahlivo identifikovať vnútorné a vonkajšie defekty zvarov a materiálov s možnosťou opakovateľnosti kontroly. Táto podmienka sa vzťahuje aj na objemové skúšanie ultrazvukom.

* * * * *

Riešením tohto problému je použitie miniatúrnych uhlových phased array sond pri aplikácií ručného alebo automatizovaného skúšania materiálov a rúr s hrúbkou pod 8 mm.

obr1

Technika phased array (PA)
Ultrazvuková sonda PA je prijímačom a zároveň aj vysielačom ultrazvukových vĺn. Súčasné ultrazvukové sondy PA sa môžu skladať až z 256 takýchto elementov. Usporiadanie elementov môže byť rôzne, ale čím je zložitejšie, tým je náročnejšie na výrobu a cena ultrazvukovej sondy rastie. Najčastejšie sa vyrábajú sondy s lineárnym usporiadaním elementov [1, 2, 3].
Všetky elementy sú uložené najčastejšie v polymérovej matrici, resp. ide o piezokompozitné materiály, ktoré sú typické pre ultrazvukové sondy PA. Elektrické impulzy sú k jednotlivým elementom sondy privádzané koaxiálnym káblom. Piezokompozitný menič a tlmiace teliesko sú uložené v oceľovom kryte.

obr2

Piezokompozit je z vrchnej časti pokovovaný a zo spodnej časti ho chráni pred mechanickým poškodením dotyková vrstva (obr. 2). Vyrábané sú rôzne typy ultrazvukových PA sond, rôznych tvarov a rozmerov, ktoré závisia od geometrie a počtu jednotlivých elementov [7, 8].
Prevažná väčšina ultrazvukových sond, rovnako ako aj PA sondy sú konštruované na použitie spolu s plexisklovým nadstavcom. Úlohou plexisklového nadstavca je dosiahnuť požadovaný uhol lomu ultrazvukového lúča, chrániť sondu pred mechanickým poškodením a „absorbovať“ jej mŕtve pásmo. Plexisklové nadstavce sú vyrábané v rôznych tvaroch a rozmeroch pre pozdĺžne alebo priečne ultrazvukové vlny. Vyrábajú sa aj špeciálne plexisklové nadstavce so zakrivenými povrchmi pre kontrolu valcových alebo guľových plôch.
Jednotlivé piezoelektrické meniče, resp. elementy ultrazvukovej PA sondy sú budené elektrickými impulzmi s rôznym časovým oneskorením (časovým zákonom), čím získavame sondu s variabilným zväzkom ultrazvukových vĺn (obr. 3).

obr3

Z jednotlivých elementov ultrazvukovej PA sondy sa šíri elementárna guľová vlna. Celková plocha týchto elementárnych vĺn tvorí výslednú vlnoplochu a každý bod vlnoplochy sa stáva bodovým zdrojom vlnenia, ktoré sa potom do okolia šíri všetkými smermi. Tento mechanizmus je využívaný pri modifikácii zväzku ultrazvukových vĺn. Pri súčasnom budení všetkých meničov sondy sa generuje výsledná vlna smerujúca v priamom smere ako pri konvenčnej priamej sonde. Riadeným časovým oneskorením príchodu elektrických impulzov do jednotlivých elementov dokážeme modifikovať tvar a smer šíriaceho sa zväzku ultrazvukových vĺn, a tým simulovať pohyb sondy [3, 4, 11].

Možnosti skúšania tupých zvarov pod 8 mm technikou PA
Jednou s možností, ako skúšať ultrazvukom tupé zvary na potrubiach s hrúbkou základného materiálu pod 8 mm, je použitie miniatúrnych PA sond s vyššími frekvenciami a úzkou predsádkou (obr. 4). Pre názornosť, ako aj pre simuláciu šírenia ultrazvuku bola vybratá sonda Olympus 10L16 SA00 s predsádkovým klinom SA00 N60S. Sonda má frekvenciu 10 MHz a 16 elementov s aktívnou apretúrou 5 mm. Rozmery sondy sú 8x8x23 mm. Predsádka SA00 N60S je určená pre generovanie sektorového S-skenu s priečnymi vlnami v rozmedzí od 45° – 75° s natívnym uhlom 60° s rozmermi 21x14x13 mm [9, 10].

obr4

Simulácia šírenia ultrazvuku v tupých zvaroch pri použití konvenčných sond a sondy PA bola vykonaná v programe ES Beam Tool 5. Pre názornosť boli použité hrúbky základného materiálu 4, 6 a 8 mm.
Ako konvenčná ultrazvuková sonda s jedným meničom bola vybratá C541-SM (10 MHz, priemer meniča 10 mm) s bežne používanou predsádkou ABWT-7T-70 a sonda A544S-SM s miniatúrnou predsádkou ABWM-4T.
Ako prvá bola vykonaná simulácia na tupom zvare s uhlom rozovretia 60°s hrúbkou základného materiálu 8 mm. Na porovnanie bola vykonaná simulácia s použitím PA sondy, ako aj s konvenčnými uhlovými sondami s uhlom lomu 70° (obr. 5).

obr5

V tomto prípade nebol problém preskúšať celý objem zvaru sondou PA a tiež konvenčnými sondami. Kontrolu technikou PA je možné vykonať v jednej pozícií sondy z oboch strán zvaru vo vzdialenosti 12 mm od osi zvaru. Dôležitým faktorom pre možnosť skúšania je najmä šírka prevýšenia zvaru, ktorá bola v tomto prípade 10 mm. Čím bude šírka prevýšenia väčšia, tým sa minimálna vzdialenosť čela sondy od osi zvaru bude zvyšovať až do vzdialenosti, keď priamy ultrazvukový lúč nebude dopadať do oblasti koreňa zvaru a teda nebude možné preskúšať celý jeho objem. Táto maximálna šírka prevýšenia zvaru s ohľadom na „prezvučenie“ koreňa pre predsádku ABWM-7T-70 je 18 mm, pre predsádku ABWM-4T-70 je 25 mm a pre sondu PA s predsádkou SA00-N60S je to 30 mm, keď koreň zvaru bude kontrolovaný ultrazvukovým zväzkom s uhlom lomu v materiáli okolo 70° [7 – 9].
Ako druhá bola vykonaná simulácia ultrazvukového skúšania tupého zvaru s hrúbkou materiálu 6 mm. Uhol rozovretia bol opäť 60°. V tomto prípade je šírka v prevýšení zvaru 7,25 mm (obr. 6).

obr6

Kontrola konvenčnou sondou s predsádkou ABWM-7T-70 je v tomto prípade už na hranici skúšania, pretože pri opretí čela sondy o prevýšenie ultrazvukový lúč smeruje presne do koreňa zvaru. Miniatúrna predsádka ABWM-4T-70 je pre skúšanie zvaru s hrúbkou 6 mm vhodná, avšak pri veľkom zväčšení šírky prevýšenia by táto sonda už nebola použiteľná. Pri simulácií so sondou PA má táto technika, čo sa týka šírky prevýšenia, ešte dostatočnú rezervu. Šírka prevýšenia by v tomto prípade mohla byť max. 20 mm.
Poslednou simuláciou v programe ES Beam Tool 5 je simulácia šírenia ultrazvuku vo zvarovom spoji s hrúbkou základného materiálu 4 mm (obr. 7).

obr7

Kontrola bežnou predsádkou ABWM-7T-70 pri hrúbke materiálu 4 mm a šírke prevýšenia 5 mm už nie je možná, pretože nedokážeme preskúšať oblasť koreňa zvaru. Predsádka ABWM-4T-70 sa nachádza v hraničnej pozícií, keď ultrazvukový lúč smeruje priamo do koreňa zvaru. Pri väčšej šírke prevýšenia by už skúšanie nebolo možné vykonať. Vychádzajúc zo simulácie, je skúšanie PA sondou možné bez akýchkoľvek prekážok. Sonda má aj v tomto prípade dostatočnú rezervu, čo sa týka šírky prevýšenia zvaru. Maximálna šírka prevýšenia by mohla dosahovať v tomto prípade až 8 mm [12].

Záver
Z vykonaných simulácií možno vyvodiť závery, že na skúšanie materiálov s hrúbkami menej ako 8 mm je možné použiť miniatúrne uhlové konvenčné sondy s jedným meničom, a to len do hrúbky 6 mm. Pre hrúbky materiálov menej ako 6 mm je optimálnym riešením použitie miniatúrnych PA sond, ktoré sú svojou variabilitou predurčené prispôsobiť sa zložitým geometrickým konfiguráciám zvarového spoja. Pri voľbe optimálnej metódy, ako aj stanovení správnej polohy sondy pri skúšaní je vhodné použiť program umožňujúci simuláciu šírenia ultrazvukového zväzku a tak si potvrdiť správnosť návrhu a spoľahlivosť zvolenej metódy a postupu skúšania. Správnym postupom skúšania je teda možné kontrolovať tupé zvary na materiáloch s hrúbkou nad 4 mm, vrátane obvodových zvarov na potrubiach, keď, samozrejme, musí byť splnená podmienka o prispôsobení sondy zakrivenému povrchu uvedená v kapitole 6.3.4 normy STN EN ISO 17 640 [11].

Poďakovanie:
Článok vznikol v rámci riešenia projektu KEGA-034ŽU-4/2015 podporeného Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky.

TEXT/FOTO Radoslav KOŇÁR, Žilinská univerzita, Strojnícka fakulta, Katedra technologického inžinierstva, Miroslav BUCHA, SPP-Distribúcia, Nitra

Odborný príspevok recenzovali: Ing. Andrej Mašlonka, REMOS Zvolen, s. r. o., Ing. Pavol Radič, VÚZ – PI SR

Literatúra:
[1]. OLYMPUS. 2013 (a). Phased Array Tutorial. [online]. 2013, [cit. 2013-08-18]. Dostupné na internete: .
[2]. OLYMPUS. 2013 (b). OmniScan MX2. [online]. 2013, [cit. 2013-08-18]. Dostupné na internete: MX2_EN_201203.pdf>.
[3]. OLYMPUS. 2013. (c). OmniScan SX. [online]. 2013, [cit. 2013-08-18]. Dostupné na internete:276825452/OmniScan_SX_EN_LTR_201306.pdf?__gda__=1383820232_dd0d2d3ecb1298a7c408b7371a32b361>.
[4]. Žmindák, M. a kol.: Finite element ananlysis of crack growth in pipelines. In: Manufacturing Technology, No.1, 2014, p.116-122, ISSN 1213-2489
[5]. Novák, P. – Meško, J. – Žmindák, M.: Finite element implementation of multi-pass fillet weld with phase changes. In: Manufacturing Technology. No.1, 2013, pp.79 – 85, ISSN 1213-2489
[6]. Vrzgula, P. – Faturík, M. – Mičian, M.: New inspection technologies for identification of failure in the materials and welded joints for area of gas industry. In: Manufacturing Technology. No.3, 2014, pp. 487 – 492, ISSN 1213-2489
[7]. Androšová, Z. – Skrbek, B.: The use of magnetic and ultrasonic structuroscopy for inspection of ADI/AGI casting. In: Manufacturing Technology. No.13, 2012, p.93.-97., ISSN 1213-2489
[8]. Radek, N. – Meško, J. – Zrak, A.: Technology of laser forming.In: Manufacturing Technology. No.3, 2014, pp. 428 – 431., ISSN 1213-2489
[9]. Dopjera, D. – Mičian, M.: The detection of artificially made defects in welded joint with ultrasonic defectoscopy Phased Array. Manufacturing technology, Vol. 14, No. 1, 2014, pp. 12 – 17, ISSN 1213-24897
[10]. MORAVEC, J. – NOVAKOVA, I. – BRADAC, J.: Effect of Age Hardening Conditions on Mechanical Properities of AW 6082 Alloy Welds. In: Manufacturing technology, Vol. 16, No. 1, 2016, pp. 192 – 198. J.E. Purkyne University, Ústi nad Labem.
[11]. STN EN ISO 17 640: Nedeštruktívne skúšanie zvarov. Skúšanie zvarových spojov ultrazvukom. 2010