VYUŽITÍ PO ÍTA OVÉHO MODELOVÁNÍ JAKO PODPORY PROVOZNÍCH KONTROL ULTRAZVUKEM A V PROCESU NDT KVALIFIKACÍ P. Vl ek, P. Mareš ÚJV EŽ, A.S., ESKÁ REPUBLIKA ABSTRAKT Modelování a simulace ultrazvukového zkoušení je stále více aplikováno v r zných oblastech pr myslového využití NDT v etn provozních kontrol na jaderných elektrárnách. Aplikace má velice širokou oblast využití p i hodnocení a analýze získaných dat, modelování pr b hu UZ m ení, návrhu geometrie sondy a parametr UZ zkoušení, atd. Sou ástí NDT kvalifikací provád ných v ÚJV ež je také podpora optimalizace inspek ních postup a p edevším technických zd vodn ní pomocí numerické simulace ve výpo tovém kódu CIVA. Softwarová platforma CIVA, vyvíjená firmou CEA, je zam ena na po íta ové modelování jednotlivých metod nedestruktivního zkoušení materiál, p edevším ultrazvukové zkoušení a m ení pomocí ví ivých proud. P i kvalifikacích je pomocí numerické simulace provád na predikce velikosti UZ odezvy indikací od necelistvostí na CAD modelech odpovídající skute ných komponent m a potrubním systém m JE typu VVER 440 a VVER 1000. Mezi nejnov jší aplikace také pat í ov ování možností využití metody phased array v rámci NDT kvalifikací. Klí ová slova: kvalifikace, simulace, sonda phased array, ultrazvuk ÚVOD Modelování a simulace proces a fyzikálních jev probíhajících p i dané innosti je velice ú inný nástroj pro zvýšení produktivity a kvality této innosti. To se týká zejména i oblasti NDT, kde výsledky m ení a jejich interpretace je závislá na mnoha podmínkách a zkušenostech pracovníka. Po íta ové modelování v oblasti UZ zkoušení si klade za úkol co nejp esn ji modelovat ší ení UZ vln ní v materiálu a na základ tohoto modelu predikovat velikost odezvy od simulovaných defekt. Protože interpretace výsledk UZ m ení je složitá a je nutné doložit, že použitá metoda je schopná nalézt v zkoušeném materiálu defekty podle nastavených kritérií, je v R p ed provád ním provozních kontrol svar na JE požadováno provedení V kvalifika ním procesu se ov uje navržená metoda m ení, za ízení a v neposlední ásti i personál. Kvalifikace mechanizovaného nebo ru ního UZ m ení se skládá z vypracování inspek ního postupu (IP), kde jsou navrženy sondy použité p i m ení, postup m ení a kritéria pro vyhodnocení indikací. Po vypracování tohoto IP je provedeno m ení a vyhodnocení nam ených výsledk. Pokud nam ené výsledky spl ují zadané kritéria, je vypracováno technické zd vodn ní a možno proces kvalifikace ukon it. V p ípad, že není dosažen požadovaný výsledek, je nutné navrhnout nové sondy a znovu provést m ení. Proces se opakuje až do doby, kdy výsledky spl ují požadovaná kritéria.
CHARAKTERISTIKA SOFTWARU CIVA 8.1 Cílem po íta ového modelování UZ zkoušení je matematicky popsat chování UZ vln ní p i ší ení v prost edí a p i dopadu vln na rozhraní, které m že p edstavovat i defekt. Pro zobrazování nam eného i vypo teného signálu se využívá elektrický signál zpracovaný pomocí Fourierovy transformace, která zobrazí elektrický signál v amplitudové charakteristice. Tato transformace se používá i v softwaru CIVA 8.1. Programová platforma CIVA je vyvíjena ve výzkumném ústavu CEA v Saclay, Francie. Tato platforma je v sou asné dob ur ena pro simulaci a modelování nedestruktivního zkoušení ultrazvukem nebo ví ivými proudy. Aby byla zajišt na co nejlepší definice popisovaných d j, které nastávají p i nedestruktivní kontrole, je pro každý charakteristický d j vyvinut samostatný modul. Mezi moduly, které jsou využívány p i simulaci UZ zkoušení, jsou Civa US a Mephisto. Modul Civa US je ješt rozd len do t í mód -. Mód Beam Computation slouží k výpo tu UZ pole sondy v nastaveném materiálu. V módu Defect Response je po ítána odezva od navrženého defektu a v módu Zone Coverage je vypo tena oblast, v které se p i zadaných limitách pohybu sondy ší í UZ vln ní. Výsledkem je pole, které ukazuje intenzitu akustického tlaku v jednotlivých místech materiálu (obr. 1). Výpo et lze provád t obecn, tj. bez vlivu geometrie defektu, nebo pro ur itý defekt. Výpo tový modul Mephisto plní stejnou funkci jako mód Defect Response. Obr. 1: Oblast skenování sondy 55 T1,5 pokles akustického tlaku (intenzity signálu) vlivem útlumu a rozptylu UZ vln ní KVALIFIKACE ULTRAZVUKOVÉHO ZKOUŠENÍ V procesu kvalifikace NDT se simulace UZ zkoušení zejména uplat uje jako podpora optimalizace inspek ních postup. To se týká p edevším návrhu a optimalizaci parametr UZ sond. Na základ zkušeností a znalostí z p edchozích m ení jsou navrženy sondy. V p ípad složit jší geometrie t lesa je pro stanovení pole s rozlišením intenzity UZ signálu použit mód. Na základ zobrazení intenzity UZ pole pro jednotlivé typy sond lze stanovit, jaký úhel sondy je nejvhodn jší pro detekci defekt v jednotlivých místech svaru. Toho se využívá zejména u t les, které mají složit jších tvar, nerovný povrch a nebo p i omezení pohybu sondy.
Homogenní svar ANPP/ZT1-KO/1Ho Obr. 2: Model zkušebního t lesa ANPP/ZT1-KO Heterogenní svar ANPP/ZT1-KO/Ht Popis zkušebního t lesa ANPP/ZT1-KO Zkušební t leso ANPP/ZT1-KO (obr. 2) je vyrobeno z ásti potrubí DN200 na potrubní trase pod hrdly kompenzátoru objemu, které bylo používáno v ANPP (Metsamor). Na potrubí se nacházejí 2 svarové spoje, heterogenní a homogenní austenitický svar. Heterogenním svarový spoj je tvo en feritickým materiálem ze strany hrdla KO, na kterém je proveden austenitický silový návar, a austenitickým potrubím. Samotný spoj je austenitický. Ve vzdálenosti 5 cm od osy heterogenního svaru je vytvo en austenitický svar. Velmi malá vzdálenost jednotlivých svar velice znesnad uje m ení a interpretaci výsledk. Pro ú ely optimalizace inspek ních postup a provád ní praktických zkoušek v rámci kvalifikace mechanizovaného a ru ního zkoušení ultrazvukem bylo v obou svarových spojích vyrobeny um lé defekty typu EDM SE, které simulují trhliny vznikající p edevším na rozhraní svaru a TOO. Popis svarového spoje ANPP/ZT1-KO/1Ho Základní a svarový materiál: Rozm ry svarového spoje: Základní materiál: 08Ch18N10T Jmenovitý vn jší pr m r: 245 mm Svarový materiál: Sv04Ch19N11M3 Jmenovitý vnit ní pr m r: 209 mm Elektroda EA-400/10T Jmenovitá tlouš ka st ny: 18 mm Popis svarového spoje ANPP/ZT1-KO/Ht Základní a svarový materiál: Rozm ry svarového spoje: Základní materiál ze strany hrdla: 22K Jmenovitý vn jší pr m r: 245 mm Základní materiál ze strany kolena: 08Kh18N10T Jmenovitá tlouš ka st ny: 18 mm Svarový materiál: Sv04Ch19N11M3 Jmenovitý vnit ní pr m r: 209 mm Elektroda EA-400/10T APLIKACE NUMERICKÉ SIMULACE V RÁMCI KVALIFIKACE NDT Mód byl použit p i kvalifikaci UZ zkoušení heterogenního svarového spoje pod hrdlem KO na potrubí Dn200 kompenzace objemu. Jako zkušební t leso bylo použito reálná ást potrubí. Geometrie povrchu heterogenního svaru a okolí je u tohoto svaru velice prom nlivá, a proto bylo nutné provést hodnocení vlivu zm ny geometrie povrchu a velikosti defektu na velikost UZ odezvu. Simulace byla provedena na 3 modelech zkušebního t lesa (tab. 1), jejichž geometrie povrchu p ibližn odpovídá tvar m zjišt ním u tohoto zkušebního t lesa. Nastavení simulace odpovídá údaj m uvedeným v IP, kdy na zkoušení byly použity sondy MSWS45, MSWS60 a MSWS70. Jelikož z feritické strany dochází ke zm n tvaru povrchu pouze u 2 t les, jsou provedena pouze 2 simulace.
Navržené geometrie povrchu svaru T leso I T leso II T leso III Tabulka 1: Modely zkušebních t les s r znou geometrií povrchu Sonda MSWS 45 Sonda MSWS 60 Sonda MSWS 70 Simulace z austenitické strany I II III Simulace z feritické strany I II Tab. 2: Výsledky simulace v módu Zone Coverage - UZ pole sondy odpovídající geometrii navrženým model m Defekt Výška Umíst ní Defekt Výška Umíst ní Ht1 4 +WFL Ht2 5 -WFL Ht1-8 8 +WFL Ht2-8 8 -WFL Ht1-10 10 +WFL Ht2-10 10 -WFL Ht1-12 12 +WFL Ht2-12 12 -WFL Ht1-15 15 +WFL Ht2-15 15 -WFL Ht8 6 +WFL Ht9 4 -WFL Tab. 3: Defekty použité p i simulaci Pom r S/N 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0 Porovnání výsledk simulace sondy MSWS70 T2,25 z feritické strany Ht1 Ht1-8 Ht1-10 Ht1-12 Ht1-15 Ht8 Ht2 Ht2-8 Ht2-10 Ht2-12 Ht2-15 Ht9 Defekt Graf 1: Hodnocení vlivu velikosti defektu na intenzitu odezvy T leso I T leso II
Jelikož není možné na základ zobrazeného pole stanovit velikost odezvy pro jednotlivé typy defekt a jejich umíst ní, je nutné provést ješt výpo et odezvy v módu. Pro zjišt ní vlivu na velikosti defektu byly provedena simulace na celkem 12 defektech, které byly umíst ny na rozhraní svaru a návaru i základního materiálu (tab. 3). Výsledek simulace UZ zkoušení ukázal, že vliv velikosti defekt z feritické strany i austenitické strany je zanedbatelný (graf 1). Pouze u sondy MSWS70 p i m ení z austenitické strany byla zjišt na závislost velikosti defekt na odezv u defekt, které jsou umíst ny na +WFL, tj. na protilehlém rozhraní svaru a návaru. Výsledky získané p i simulaci UZ odezvy od defekt je nutné interpretovat na základ zkušeností, které byly získány p i porovnávání výsledk simulace a m ení. Vliv velikosti defekt je zde potla en jednak z d vodu, že rozhodujícím signálem detekce je rohové nebo nep ímé echo, které má díky idealizovaným plochám výrazn siln jší signál. Dále je zjišt no, že u simulace je menší závislost velikosti odezvy na defektu než je zjišt no u m ení, a defekt, které jsou naklon ny kolmo na UZ svazek (defekty umíst né na protilehlém rozhraní svaru a základního materiálu) mají nadhodnocený výsledek. APLIKACE M ENÍ PHASED ARRAY SONDOU Ultrazvuková Phased array metoda je pokro ilá metoda pr myslového nedestruktivního zkoušení, p vodn objevena Albetem Mackovskim na Stanfordské univerzit. Phased array sonda je tvo ena z n kolika element, které jsou samostatn buzeny a mohou fungovat jako samostatné sondy. UZ svazek je získán složením vln z jednotlivých element, kdy sm r je ovliv ován asovými rozdíly ve vyslání signálu z jednotlivých element (obr. 4). Uspo ádání element tudíž ovliv uje možnosti sondy. Podle nastavení a požadavk UZ m ení je možné ur ité elementy vypnout nebo pouze ást jich aktivovat jako vysíla e a ást jako p ijíma e. Pouze frekvence sondy, která je závislá na tlouš ce m ni, je nem nná. Obr. 4: Buzení a fokusace UZ svazku u phased array sondy V programu CIVA je možné nastavit parametry phased array sondy tak, aby odpovídaly sond použité p i m ení. Sou asná verze programu CIVA umož uje 7 typ fokusace UZ svazku. Mezi nejb žn ji používané typy pat í Sectorial scanning. Sectorial scanning spo ívá v zm n úhlu fokusace UZ svazku. Pro tento režim se nastaví rozmezí úhl, v kterém je provád na fokusace svazku, a velikost kroku ve stupních. Pro jednotlivé kroky je vypo ítáno asové prodlení vyslání impulsu z jednotlivých element, které umožní zm nu úhlech UZ svazku. Spojením jednotlivých krok pomocí algoritmu je získáno sektorové zobrazení (S-scan), viz. obr. 7) Postupná zm na úhlu UZ svazku umož uje najít optimální úhel pro detekci defekt ve vybrané výse i. Tento typ m ení se uplat uje p edevším v místech, kde je omezen pohyb sondy. Významný p ínos tato metoda dosahuje i p i stanovení velikosti defekt, jelikož ve v tšin p ípad, pokud nezanikne v šumu vznikající v polykrystalickém materiálu, je patrný difrak ní signál od ela defektu.
P ÍKLAD POUŽITÍ METODY PHASED ARRAY V PRAXI V rámci ov ování použití phased array sondy p i UZ m ení byla provedena ru ní kontrola UZ odezvy níže uvedenou phased array sondou na heterogenním a homogenním svaru zkušebního t lesa potrubí DN200 ke kompenzátoru objemu. Sou asn s testováním phased array sondy byly v programu CIVA provedeny numerické simulace tohoto m ení. Výsledky získané sou asn pomocí simulace a m ení je možné vzájemn porovnat a pro jednotlivé zp soby stanovit velikosti necelistvostí. Pohyb sondy byl provád n t sn u koruny svaru po celém obvodu svaru. U obou svar byl p ístup možný pouze z jedné strany. Popis sondy Typ klínu Lineární typ m ni e SA1-N60S 16 element 12x12mm Frekvence 2,25Mhz Výsledky m ení homogenního svaru M ení bylo provád no pouze z jedné strany, protože na stran, kde je umíst n heterogenní svar je nedostate ná plocha pro umíst ní sondy. Bylo použito tzv. sektorové skenování, které spo ívá ve zm n fokusace UZ svazku v rozmezí úhl 45 až 80. Výsledkem je zobrazení C-scan a S-scan. Z t chto zobrazení lze stanovit velikost odezvy i polohu indikace. P i UZ kontrole provedené phased array sondou byly prokazateln detekovány všechny defekty, které obsahoval svarový spoj (obr. 5). To bylo dosaženo i sondami 60 TRL2-Aust a 70 TRL2-Aust (obr. 6). Mezi výsledky m ení a simulace (graf 2) pro sondu PA i byly získány podobné tendence s ur itými odchylkami, které jsou zp sobeny omezenými možnostmi modelovat reálné zm ny geometrie a struktury svarového spoje. Obr. 5: P íklad C-scanu pro pohyb 0-400 mm Obr. 6: Výsledek detekce sondou 70 TRL2 (D-scan) pom r S/N 25 20 15 10-10 -505-15 Porovnání výsledk simulace a m ení (pom r S/N) phased array sonda M ení simulace Graf 2: Porovnání výsledk simulace a m ení homogenního svaru metodou phased array 1Ho1 1Ho2 1Ho3 1Ho4 1Ho5 1Ho6 Defekt 1Ho7 1Ho8 1Ho9 1Ho10
Sonda 70TRL2-Aust PA sonda M ení s korunou bez koruny Simulace M ení Simulace Defekt Reálná výška dh výška dh výška dh výška dh výška dh výška (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) Ho1 4,00 5,20 1,20 4,84 0,84 5,50 1,50 2,40-1,60 5,00 1,00 Ho2 8,00 4,30-3,70 7,92-0,08 8,10 0,10 10,90 2,90 9,50 1,50 Ho3 6,00 3,80-2,20 5,28-0,72 5,80-0,20 5,50-0,50 7,50 1,50 Ho4 4,00 5,60 1,60 6,72 2,72 4,30 0,30 7,50 3,50 5,10 1,10 Ho5 8,00 5,20-2,80 6,83-1,17 7,50-0,50 6,60-1,40 9,90 1,90 Ho6 5,00 5,60 0,60 5,48 0,48 5,00 0,00 3,00-2,00 5,80 0,80 Ho7 12,00 11,40* -0,60 10,62-1,38 9,40-2,60 10,20-1,80 14,40 2,40 Ho8 7,00 6,50-0,50 5,83-1,17 7,30 0,30 8,30 1,30 9,00 2,00 Ho9 6,00 5,80-0,20 6,80 0,80 5,70-0,30 4,30-1,70 8,00 2,00 Ho10 10,00 6,40-3,60 7,17-2,83 8,70-1,30 8,80-1,20 11,90 1,90 Tab. 3: Hodnocení velikosti defekt sondou 70TRL2-Aust a phased array sondou * výsledek je získán pomocí odražené vlny P i hodnocení velikosti defekt u homogenního svaru 1Ho (tab. 3) bylo zjišt no, že u navržených sond nelze jednozna n stanovit velikost defekt, protože ší ka koruny neumož uje proskenování horní ásti svarového spoje. Z tohoto d vodu bylo navrženo odstran ní koruny svaru. Výsledky získané na homogenním svaru ukazují, že všechny defekty byly detekovány jak sondou PA, tak i sondami 60 TRL2-Aust a 70 TRL2-Aust. P i stanovení výšky defekt bylo dosaženo mírn lepších výsledk sondou 70 TRL2-Aust než phased array sondou. Podmínkou bylo ale odstran ní koruny svaru. Sou asn byla provád na simulace UZ m ení v programu CIVA. Simulace prokázala shodu v zobrazení odezev u jednotlivých defekt (obr. 7) a p i porovnání intenzit odezev mezi výsledky simulace a m ení byla zjišt na áste ná shoda. To umož uje jednak predikovat intenzitu odezvy s ur itou p esností. Výrazná shoda v zobrazení odezvy (S-scan) získané p i simulaci umož uje výrazn zp esnit stanovení velikosti defektu. Obr. 7: S-scany získané p i simulaci a m ení defektu 1Ho5 Výsledky m ení Heterogenního svaru Jelikož je u heterogenního svaru možný velice malý pohyb sondy, byly pro UZ m ení vybrány nejmenší dostupné sondy MSWS. Výsledky zjišt né t mito sondami (obr. 6) neukazují, že by bylo možné pr kazn detekovat navržené defekty bez odstran ní koruny. Z tohoto d vodu bylo použita sonda phased array. M ení bylo provád no tzv. sektorovým skenováním, které spo ívá ve zm n fokusace UZ svazku v rozmezí úhl 45 až 80.
Výsledek je zobrazení C-scan a S-scan. Z t chto zobrazení lze stanovit velikost odezvy i polohu indikace. Sou asn byla provedena i simulace v programu CIVA. Výsledky simulace prokázaly shodu v zobrazení odezev (obr. 8) a i tendencemi u UZ odezvách zjišt ných p i simulace a m ení (graf 3). Obr. 8: S-scany získané p i simulaci a m ení defektu Ht8 Porovnání výsledk simulace a m ení pro sondu SA1-N60S Pom r S/N 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0-2,0 Ht1 Ht2 Ht8 Ht9 Defekt simulace m ení Graf 3: Porovnání simulace a AK sondou SA1-N60S z feritické strany ZÁV R Výsledky m ení a simulace provedené na heterogenním a homogenním austenitickém svaru ukázaly, že jednozna ným p ínosem metody phased array je zlepšení detekce defekt p i omezených možnostech pohybu sond a také stanovení velikosti defekt bez nutnosti odstranit korunu svaru. Sou asn s hodnocením metody phased array byla provedeno i porovnání s výsledky simulace provedené v programu CIVA. Zjišt né výsledky ukázaly, že simulace umož uje s ur itými omezeními predikovat intenzitu UZ odezvy. Výrazná shoda v zobrazení UZ odezvy p i simulaci a m ení má významný p ínos p i vyhodnocování nam ených výsledk. Tyto výsledky byly ov eny pouze na výsledcích získaných m ením na t ech svarových spojích. Proto je nutné jejich platnost ov it na dalších svarových spojích a pokusit se stanovit konkrétní podmínky, pro které bude platit závislost mezi výsledky simulace a m ení sondou phased array.