Ultrazvuková měření tloušťky stěny potrubních systémů

Transkript

1 Kopírování a rozmnožování pouze se souhlasem Ing. Regazza Ultrazvuková měření tloušťky stěny potrubních systémů Regazzo Richard, Regazzová Marcela R & R NDT Zeleneč V článku se zabýváme měřením tloušťky stěny potrubních systémů malých tlouštěk. Provedli jsme měření tloušťky stěny několika potrubních systémů v různých místech s maximální možnou přesností sondami K10K, K5K, DA 201 a defektoskopem USN 50 firmy Krautkrämer. Stejné měření provedli tři firmy, které jsme označili I, II, III. Tyto firmy provedli měření tloušťky běžnou technikou, tzn. sondou DA 301 a tloušťkoměrem DME firmy Krautkrämer. Pokusili jsme se posoudit různé vlivy na přesnost měření, reálnou přesnost v provozních podmínkách a přesnost opakovaných měření.

2 1. Ultrazvukové defektoskopy a sondy Ultrazvukový defektoskop: USN 50 s AVG modulem fa Krautkrämer, SRN Ultrazvukové sondy: K5K, K10K, DA 201 fa Krautkrämer, SRN Kontrolní měrka: č. 2 podle ČSN EN Srovnávací měrka: stupňová mm, INCO, Polsko Vazební prostředek: Plastické mazivo 2. Metodika měření rozbor problematiky Nejpřesnější měření tloušťky zaručují sondy o vyšší frekvenci, například malé sondy K10K s jmenovitým kmitočtem f = 10 MHz. Tyto sondy mají úzká echa s jedním dominantním vrcholem, což zaručuje, že nebude docházet k chybě čtení hodnoty měřené tloušťky vlivem změny tvaru koncového echa. V praxi to znamená, že pro běžné sondy, kdy je echo širší, tvořené například ze čtyř až pěti půlvln, dochází vlivem změny profilu echa ke čtení podle vrcholu například druhé půlvlny a při opakovaném měření podle třetí půlvlny. Mezi těmito půlvlnami je vzdálenost rovna jedné čtvrtině vlnové délky. Pro ocel, podélné vlny a frekvenci f potom platí f = 4 HMz f = 5 HMz f = 10 HMz λ c 5,92 = = = 0,37 mm 4 4 f 4 4 λ c 5,92 = = = 0,30 mm 4 4 f 4 5 λ c 5,92 = = = 0,15 mm 4 4 f 4 10 Z uvedeného jednoduchého výpočtu vyplývá chyba čtení 0,3 mm pro běžně používané sondy DA 201 nebo DA 301 o jmenovité frekvenci 5 MHz. Této chybě by bylo možné zabránit jedině vysokou kvalitou obou povrchů materiálu v měřeném místě, což je v praxi obvykle nereálné. Je důležité, aby tuto skutečnost pracovníci ultrazvukové defektoskopie znali a měření tloušťky prováděli v jedné plošce několikrát. Je to běžný případ, kdy údaj tloušťky na Strana 2 (celkem 14)

3 ultrazvukovém defektoskopu nebo tloušťkoměru přeskakuje například mezi hodnotami 3,3 a 3,6 mm, viz. příklad na obr Obr. 2-1 Čtení tloušťky sondou DA 201, DA 301 podle 1. koncového echa při opakovaném měření Podobný příklad pro sondu MSEB 4 o jmenovité frekvenci 4 MHz je na obr. 2-2, kde je mezi sousedními půlvlnami vzdálenost 0,37 mm. Při čtení s přesností na desetiny milimetru 0,4 mm, viz. obr Obr. 2-2 Čtení tloušťky sondou MSEB 4 podle 1. koncového echa při opakovaném měření Strana 3 (celkem 14)

4 Z uvedených příkladů vyplývá, že čím je vyšší jmenovitá frekvence sondy použité k měření tloušťky, tím je i vyšší přesnost čtení dat. Například pro sondu K10K o jmenovité frekvenci f = 10 MHz nastává tento případ pouze výjimečně, neboť mezi sousedními půlvlnami echa je velký rozdíl ve výšce, viz. obr Obr. 2-3 Čtení tloušťky sondou K10K podle 1. koncového echa při opakovaném měření Použití sond o vyšší frekvenci má však své omezení dané prozvučitelností materiálu a stavem povrchu, na který se sonda přikládá. Výška koncových ech velmi závisí na tloušťce mezery mezi sondou a prozvučovaným povrchem. Pro sondu K10K získáme maximální echa, to znamená výborné čtení hodnoty měřené tloušťky, při nulové tloušťce λ λ mezery, mezeře nebo násobku, tedy pro 0; 2 2 λ c 1,5 = = = 0,075 mm; 0,15 mm; atd. 2 2 f 2 10 Nejhorší echo, to znamená echo, které nelze rozlišit od úrovně šumu, naopak získáme při λ λ tloušťce mezery rovné nebo lichém násobku, tedy pro 4 4 λ c 1,5 = = = 0,0375 mm; 0,113 mm; atd. 4 4 f 4 10 Strana 4 (celkem 14)

5 V praxi to znamená, že při mezeře ~ 0,04 mm uvedená sonda materiál neprozvučí zatímco při mezeře 0 mm nebo 0,075 mm je materiál výborně prozvučen a lze číst tloušťku. Sondy o nižší jmenovité frekvenci f = 4 ± 5 MHz nejsou na změnu tloušťky mezery mezi sondou a prozvučovaným materiálem tak citlivé, proto jsou většinou používány pro měření tloušťky. Toto je i případ námi prováděných měření. Protože povrch, na který byla sonda K10K přikládána nebyl dokonale rovinný v každém měřeném místě, byla některá měření sondou K10K proveditelná (tloušťka mezery mezi sondou a materiálem byla rovna 0 mm nebo ~0,08 mm) a jiná měření byla neproveditelná (tloušťka mezery mezi sondou a materiálem byla rovna ~0,04 mm). V těchto místech, kde nebylo možné sondu K10K použít, jsme měření provedli sondou K5K o jmenovité frekvenci f = 5 MHz.. Každá nerovinnost povrchu pod sondou se projeví chybou čtení čtyřikrát větší. Znamená to, že pro mezeru mezi sondou a prozvučovaným materiálem 0,08 mm je chyba čtení 0,32 mm, po zaokrouhlení na desetiny tedy 0,4 mm. V tomto případě tedy odečítáme údaj tloušťky větší o 0,4 mm, který není ovlivnitelný jinak, než lepší přípravou povrchu, aby na malé plošce o ø 10 mm byla nulová mezera mezi sondou a povrchem materiálu, viz obr Pokud tato sonda K10K nebo K5K dosedá uprostřed a na krajích se houpe, bude měření přesné, protože v ose sondy je nulová mezera. Závěr: Chybu čtení vlivem nerovinnosti povrchu pod sondou K10K lze eliminovat dobrou přípravou povrchu měřeného materiálu. Chybu čtení vlivem přeskoku maximální půlvlny echa, např. z 2. na 3. půlvlnu, lze eliminovat u klasických ultrazvukových defektoskopů pohledem na obrazovku při nastavení malého rozsahu časové základny. Na obrazovce je přímo vidět, podle které půlvlny je čtena měřená tloušťka. Jinak je tomu u tloušťkoměrů, kde je zobrazen pouze údaj tloušťky. Proto jsou sondy pro měření tloušťky hodně tlumené, aby echa byla úzká a aby k chybě přeskokem mezi půlvlnami docházelo pouze výjimečně. Strana 5 (celkem 14)

6 Strana 6 (celkem 14) Obr. 2-4 Chyba čtení tloušťky vlivem nerovinnosti povrchu materiálu pod sondou.

7 3. Rozsah zkoušek a výsledky K ultrazvukovým zkouškám bylo vybráno 7 plošek rozměru cca 30 x 30 mm v různých místech potrubních systémů. Zkoušky jsme provedli těmito sondami: a) základní nejpřesnější měření: K10K b) v případě, že materiál nebyl prozvučen sondou K10K z důvodu nerovinnosti povrchu trubky: K5K c) pro srovnání sondou běžně používanou pro měření tloušťky: DA 201 Měření jsme provedli podle 1. až 4. koncového echa v závislosti na prozvučitelnosti. Čím vyšší koncové echo, které není ještě deformováno násobnými odrazy v trubce, použijeme, tím je měření přesnější. Výsledky čtení jsou v tab. 4-1 a přepočtené tloušťky v tab Teplota povrchu měřených trubek a kolen: 10 o C Strana 7 (celkem 14)

8 měřené místo A - B C D Sonda K10K K5K DA 201 iii) 11,1/3 10,6/3 11,1/3 12,5/4 6,2/2 7,6/2 6,6/2 6,2/2 13,6/4 13,9/4 13,6/4 13,6/4 7,1/2 E - F - G 3,1/1 13,9/4 12,3/4 13,8/4 13,8/4 8,9/3 2,9/1 2,8/1 2,9/ ,6/3 11,1/3 11,0/3 11,5/3 13,2/4 13,2/4 12,6/ ,8/3 9,8/3 9,9/3 9,1/3 9,0/3 60,/2 6,0/2 5,9/2 - poznámka i), ii) - i) 10,8/3 11,0/3 9,3/3 10,5/3 10,8/3 10,2/3 10,6/3 9,6/3 i) Tab. 3-1 Odečtená data podle 1. až 4. koncového echa Poznámky k tab. 3-1: i) Neprozvučeno sondou K10K. ii) Měřeno přes barvu! Při tloušťce barvy 0,1 mm čteme údaj tloušťky o 0,3 mm větší, než při měření na kovově čistém povrchu. Tloušťka barvy pod sondou se promítne do odečteného údaje 3x větší hodnotou, viz. obr Strana 8 (celkem 14)

9 Obr. 3-1 Vliv tloušťky barvy na povrchu potrubí na čtení tloušťky trubky Pokud je tloušťka barvy konstantní, lze provést korekci na barvu. Pokud se ale tloušťka barvy mění, je prakticky nemožné tuto chybu eliminovat. iii) Sonda DA 201 má větší kontaktní plochu (ø 12,5 mm) než sonda K10K (ø 10 mm), proto je zde větší i chyba vlivem nerovinnosti povrchu trubky. Strana 9 (celkem 14)

10 Měřené místo A - B C D Sonda K10K K5K DA 201 3,7 3,5 3,7 3,1 3,1 3,8 3,3 3,1 3,4 3,5 3,4 3,4 3,6 E - F - G 3,1 3,5 3,1 3,5 3,5 3,0 2,9 2,8 2, ,5 3,7 3,7 3,8 3,3 3,3 3, ,0 3,3 3,3 3,0 3,0 3,0 3,0 3, ,6 3,7 3,1 3,5 3,6 3,4 3,6 3,2 poznámka i) Tab. 3-2 Tloušťky stěny vypočtené z tab. 3-1 Poznámky k tab. 3-2: i) Všechny vypočtené hodnoty jsou zaokrouhleny na desetiny mm. Minimální hodnoty jsou uvedeny v tab Strana 10 (celkem 14)

11 Měřené místo Sonda K10K K5K DA 201 A - 2,8 B 3,5-3,5 C 3,1-3,2 D 3,4 - - E - 3,0 - F - 3,0 3,1 G 3,1-3,2 poznámka Tab. 3-3 Minimální hodnoty tloušťky stěny 4. Porovnání výsledků měření tloušťky stěny Porovnání výsledků měření je v tab Nejpřesnější výsledky byly získány sondou K10K. V místech, kde nebyla trubka sondou K10K prozvučitelná, platí jako etalonové výsledky získané sondou K5K. Měřené místo Popis bodu R&R NDT K10K K5K DA 201 Firma I Firma I-2 Firma II Firma III A Trubka DN50-2,8-3,00 3,10 3,19 2,89 B Koleno DN80 3,5-3,5 3,70 3,50 3,81 3,85 C Koleno DN100 3,1-3,2 3,10 3,003,23 3,12 D Koleno DN100 3, ,40 3,40-3,38 E Koleno DN80-3,0-3,10 3,00 3,13 3,12 F Koleno DN100-3,0 3,1 3,10 2,90 3,07 3,00 G Trubka DN50 3,1-3,2 3,20 3,10 3,02 3,19 Tab. 4-1 Porovnání výsledků měření tloušťky stěny Strana 11 (celkem 14)

12 Měřené místo Popis bodu R&R NDT Firma I Firma I-2 Firma II Firma III A Trubka DN50 0 0,2 0,3 0,4 0,1 B Koleno DN80 0 0,2 0 0,3 0,4 C Koleno DN100 0,1 0,1 0 0,2 0,4 D Koleno DN E Koleno DN80 0 0,1 0 0,1 0,1 F Koleno DN100 0,1 0,1 0 0,2 0,1 G Trubka DN50 0,1 0,2 0,1 0 0,2 Tab. 4-2 Plusové odchylky od minimální změřené tloušťky stěny V tab. 4-2 je uvedeno shrnutí plusových odchylek měření tloušťky stěny různými firmami. Chyba měření je dána zaokrouhlováním výsledků na řád 10-1 mm. To znamená, že do hodnoty 0,2 mm je mezi měřeními srovnávaných firem velmi dobrá shoda. Chybu nad 0,2 mm už lze hodnotit jako nenalezení minimální tloušťky. Z uvedeného shrnutí vyplývá: Firma I Firma II a III: je v toleranci 0,2 mm, velmi přesná měření dvakrát byla změřena tloušťka mimo toleranční pole 0,2 mm, to znamená ve dvou místech nezměřena minimální tloušťka 5. Celkový závěr Počet opakovaných měření v jedné plošce: min. 3 Chyba měření : 0,1 mm, nelze ji zvýšit, měření tloušťky s větší přesností je reálné pouze u dílců, kde rovnoběžnost protilehlých povrchů, rovinnost povrchů a kvalita povrchů odpovídá kontrolním měrkám č.1 nebo č.2, což je v praxi nereálné, všechny Strana 12 (celkem 14)

13 hodnoty uváděné s vyšší přesností, tzn. na řád 10-2 nebo 10-3 mm, jsou pouze matematické hříčky, které s praktickým významem nemají nic společného Vliv nerovinnosti povrchu trubky: a) měření jednoduchou přímou sondou vypuklý nevadí, prozvučí-li se trubka vydutý mezera mezi sondou a povrchem trubky zvětší odečtený údaj tloušťky o čtyřnásobek šířky mezery b) měření dvojitou sondou pokud sonda nedosedne na celé površce (přímce) kolmé k rozhraní měničů, odečtený údaj bude vždy větší o vzdálenost bodu výstupu osového paprsku ze sondy od povrchu trubky násobenou čtyřmi Vliv barvy: při měření přes barvu bude odečtený údaj větší o trojnásobek tloušťky barvy pod sondou, tuto chybu lze eliminovat pouze při konstantní tloušťce barvy, v každém případě bude při měření přes barvu chyba měření větší než při měření na kovově čistém povrchu, tzn. větší než 0,1 mm Opakovatelnost měření: chyba měření je 0,1 mm, tzn. chyba opakovaných měření je 0,2 mm a nelze ji zvýšit Požadavek na opakování měření stejným defektoskopem a sondou: je zcela zbytečný a na přesnost měření nemá žádný vliv, pokud se měření provede správně, tzn. správně nastaveným defektoskopem a vhodnou sondou Vliv operátora na správnost měření: pokud se měření provede správně, tak je bezvýznamné, kdo toto měření provedl Měření za vyšších teplot: měření je stejně přesné jako za pokojové teploty, protože na defektoskopu, nebo tloušťkoměru se nastaví rychlost šíření ultrazvuku pro teplotu zkoušené trubky nebo kolena (k tomu je dost podkladů v literatuře, aby se nastavila správná rychlost podle teploty zkoušeného materiálu), omezení je sondami, musí se použít Strana 13 (celkem 14)

14 speciální sondy na vyšší teploty a speciální vazební prostředky, protože normální sondy by se zničily, horní teplotní mez je dána sondou a pro sondu HT 400 je to 540 o C, dolní mez je dána defektoskopem a činí - 10 o C Vliv síly stěny na přesnost měření : závisí na použité sondě, pro běžně používané dobré sondy DA201 a DA301 uvádí výrobce dolní mez 1,2 mm a horní mez 200 mm, horní mez závisí na útlumu ultrazvuku v materiálu, jiná bude pro austenitickou ocel a jiná pro běžnou uhlíkovou ocel, obecně lze těžko definovat Poděkování Naše poděkování patří ing. Vladimíru Jirsovi, vedoucímu oddělení technických služeb v České rafinérské a.s., Litvínov, díky jehož zájmu o tuto problematiku vznikl tento článek. Strana 14 (celkem 14)