$æôì]¡ôñðíæfïðôõ¡ñóð¡ïæåæôõóöìõê÷ïq¡ûìðöæïq¡îâõæóê]íö ´¸¯¡îæûêï]óðåïq¡ìðïçæóæïäæ¡ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ¢´²²¹ Ñóâé⡸¯¡®¡º¯¡²²¯¡³±±¸
VYUŽITÍ PO ÍTA OVÉHO MODELOVÁNÍ JAKO PODPORY PROVOZNÍCH KONTROL ULTRAZVUKEM A V PROCESU NDT KVALIFIKACÍ P. Vl!ek, P. Mareš ÚJV
EŽ, A.S.,
!ESKÁ REPUBLIKA
ABSTRAKT Modelování a simulace ultrazvukového zkoušení je stále více aplikováno v r"zných oblastech pr"myslového využití NDT v#etn$ 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$%ení. Proces se opakuje až do doby, kdy výsledky spl&ují požadovaná kritéria.
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹¢
¢
±¶°
CHARAKTERISTIKA SOFTWARU CIVA 8.1 Cílem po íta ového modelování UZ zkoušení je matematicky popsat chování UZ vln!ní p"i ší"ení v prost"edí a p"i dopadu vln na rozhraní, které m#že p"edstavovat i defekt. Pro zobrazování nam!"eného i vypo teného signálu se využívá elektrický signál zpracovaný pomocí Fourierovy transformace, která zobrazí elektrický signál v amplitudové charakteristice. Tato transformace se používá i v softwaru CIVA 8.1. Programová platforma CIVA je vyvíjena ve výzkumném ústavu CEA v Saclay, Francie. Tato platforma je v sou asné dob! ur ena pro simulaci a modelování nedestruktivního zkoušení ultrazvukem nebo ví"ivými proudy. Aby byla zajišt!na co nejlepší definice popisovaných d!j#, které nastávají p"i nedestruktivní kontrole, je pro každý charakteristický d!j vyvinut samostatný modul. Mezi moduly, které jsou využívány p"i simulaci UZ zkoušení, jsou Civa US a Mephisto. Modul Civa US je ješt! rozd!len do t"í mód# . Mód Beam Computation slouží k výpo tu UZ pole sondy v nastaveném materiálu. V módu Defect Response je po ítána odezva od navrženého defektu a v módu Zone Coverage je vypo tena oblast, v které se p"i zadaných limitách pohybu sondy ší"í UZ vln!ní. Výsledkem je pole, které ukazuje intenzitu akustického tlaku v jednotlivých místech materiálu (obr. 1). Výpo et lze provád!t obecn!, tj. bez vlivu geometrie defektu, nebo pro ur itý defekt. Výpo tový modul Mephisto plní stejnou funkci jako mód Defect Response.
Obr. 1: Oblast „skenování“ sondy 55°T1,5 – pokles akustického tlaku (intenzity signálu) vlivem útlumu a rozptylu UZ vln!ní
KVALIFIKACE ULTRAZVUKOVÉHO ZKOUŠENÍ
V procesu kvalifikace NDT se simulace UZ zkoušení zejména uplat$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.
³¸³¡¡
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹
Obr. 2: Model zkušebního t lesa ANPP/ZT1-KO Homogenní svar ANPP/ZT1-KO/1Ho
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 Heterogenní svar homogenní austenitický svar. Heterogenním ANPP/ZT1-KO/Ht 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: Základní materiál: 08Ch18N10T Svarový materiál: Sv04Ch19N11M3 Elektroda EA-400/10T
Rozm ry svarového spoje: Jmenovitý vn jší pr#m r: Jmenovitý vnit"ní pr#m r: Jmenovitá tlouš%ka st ny:
Popis svarového spoje „ANPP/ZT1-KO/Ht“ Základní a svarový materiál: Základní materiál ze strany hrdla: 22K Základní materiál ze strany kolena: 08Kh18N10T Svarový materiál:
Sv04Ch19N11M3 EA-400/10T
Elektroda
245 mm 209 mm 18 mm
Rozm ry svarového spoje: Jmenovitý vn jší pr#m r: 245 mm Jmenovitá tlouš%ka st ny: 18 mm Jmenovitý vnit"ní pr#m r: 209 mm
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.
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹¢
¢
±¶²
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° Simulace z austenitické strany
Sonda MSWS 70°
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 4 8 10 12 15 6
Ht1 Ht1-8 Ht1-10 Ht1-12 Ht1-15 Ht8
+WFL +WFL +WFL +WFL +WFL +WFL
5 8 10 12 15 4
Ht2 Ht2-8 Ht2-10 Ht2-12 Ht2-15 Ht9
-WFL -WFL -WFL -WFL -WFL -WFL
Tab. 3: Defekty použité p"i simulaci Porovnání výsledk simulace sondy MSWS70°T2,25 z feritické strany 20,0
Pom!r S/N
15,0
T leso I
10,0 5,0 0,0
T leso II -5,0
-10,0 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
³¸µ¡¡
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹
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.
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹¢
¢
±¶´
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 Lineární typ m ni"e 16 element# – 12x12mm Frekvence 2,25Mhz
Typ klínu SA1-N60S
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)
25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15
M !ení
o1 0 1H
1H o9
1H o8
1H o7
1H o6
o4
1H o5
o3
1H
1H
o2 1H
1H
Defekt
³¸·¡¡
Graf 2: Porovnání výsledk# simulace a m !ení homogenního svaru metodou phased array
simulace
o1
pom!r S/N
Porovnání výsledk sim ulace a m !"ení (pom !r S/N) phased array sonda
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹
Sonda 70TRL2-Aust M !ení s korunou bez koruny dH výška dH Reálná výška Defekt (mm) (mm) (mm) (mm) výška 1,20 0,84 4,00 4,84 5,20 Ho1 -0,08 -3,70 8,00 7,92 Ho2 4,30 -2,20 -0,72 6,00 3,80 5,28 Ho3 2,72 1,60 4,00 6,72 5,60 Ho4 -1,17 -2,80 8,00 6,83 5,20 Ho5 0,48 0,60 5,00 5,48 5,60 Ho6 12,00 11,40* -0,60 10,62 -1,38 Ho7 7,00 -0,50 -1,17 Ho8 6,50 5,83 6,00 0,80 -0,20 Ho9 5,80 6,80 -2,83 -3,60 7,17 Ho10 10,00 6,40
PA sonda
Simulace
výška (mm) 5,50 8,10 5,80 4,30 7,50 5,00 9,40 7,30 5,70 8,70
dH (mm) 1,50 0,10 -0,20 0,30 -0,50 0,00 -2,60 0,30 -0,30 -1,30
Simulace
M !ení
výška (mm) 2,40 10,90 5,50 7,50 6,60 3,00 10,20 8,30 4,30 8,80
dH (mm) -1,60 2,90 -0,50 3,50 -1,40 -2,00 -1,80 1,30 -1,70 -1,20
výška (mm) 5,00 9,50 7,50 5,10 9,90 5,80 14,40 9,00 8,00 11,90
dH (mm) 1,00 1,50 1,50 1,10 1,90 0,80 2,40 2,00 2,00 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$uje výrazn" zp!esnit stanovení velikosti defektu.
Obr. 7: S-scany získané p i simulaci a m! ení defektu 1Ho5 Výsledky m !ení Heterogenního svaru Jelikož je u heterogenního svaru možný velice malý pohyb sondy, byly pro UZ m"!ení vybrány nejmenší dostupné sondy MSWS. Výsledky zjišt"né t"mito sondami (obr. 6) neukazují, že by bylo možné pr kazn" detekovat navržené defekty bez odstran"ní koruny. Z tohoto d vodu bylo použita sonda phased array. M"!ení bylo provád"no tzv. sektorovým skenováním, které spo#ívá ve zm"n" fokusace UZ svazku v rozmezí úhl 45° až 80°.
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹¢
¢
±¶¶
Výsledek je zobrazení C-scan a S-scan. Z t chto zobrazení lze stanovit velikost odezvy i polohu indikace. Sou!asn byla provedena i simulace v programu CIVA. Výsledky simulace prokázaly shodu v zobrazení odezev (obr. 8) a i tendencemi u UZ odezvách zjišt ných p"i simulace a m "ení (graf 3).
Obr. 8: S-scany získané p i simulaci a m! ení defektu Ht8
Pom!r S/N
Porovnání výsledk sim ulace a m !"ení pro sondu SA1-N60S 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0
simulace
m !ení
2,0 0,0 -2,0 Ht1
Ht2
Defekt
Ht8
Ht9
Graf 3: Porovnání simulace a AK sondou SA1-N60S z feritické strany
ZÁV"R Výsledky m "ení a simulace provedené na heterogenním a homogenním austenitickém svaru ukázaly, že jednozna!ným p"ínosem metody phased array je zlepšení detekce defekt# p"i omezených možnostech pohybu sond a také stanovení velikosti defekt# bez nutnosti odstranit korunu svaru. Sou!asn s hodnocením metody phased array byla provedeno i porovnání s výsledky simulace provedené v programu CIVA. Zjišt né výsledky ukázaly, že simulace umož$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.
³¸¹¡¡
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹
