NUCLEAR SAFETY BOARD OF rhe SWEDISH UTILITIES LC CONSEIL POUR LA SCCURITt NUCLEAIRE SICHCRHEITSRAT DER SCHWEDISCHEN 4ERNKRAFTGCSELLSCHAFTEN RADETFÖR KÄRNKRAFTSÄKERHET RKS ULTRALJUDTEKNIK Begrepp och egenskaper vid provning av austenitiska svetsar RKS 83-07 1983-07-11 Sammanställd av: Gunnar Edman Anders Egerbo AB STATENS ANLÄGGNINGSPROVNING Kärnkraftavdelningen Sektionen för Anläggningskontroll * BOX 5884 S-10248STOCKHOLM "*<VALHALLAVA6EN 104 STOCKHOLM ""08-679540 T «««13108 SKBF mt»«08-7829528
INNEHALLSFÖRTECKNING Sid 1. INLEDNING 1 2. ULTRALJUDPROVNINGENS PRINCIP 2.1 Impuls-ekometoden 3 2.2 Utrustning 5 2.3 Mätparametrar 11 2.4 Kalibrering av längdskala 12 2.5 Känslighetsinställning 13 2.6 Utvärdering 16 3. PÅGÅENDE UTVECKLING 22 3.1 Utrustning 3.1.1 Sökare 22 3.1.2 Direktregistrerande utrustning 22 3.2 Metodutveckling 22 3.2.1 Amplitud 23 3.2.2 Indikering av sprickans topp 23 3.2.3 Sprickans avskärmning av ljudvägen 23 4. REPRODUCERBARHET 25 5. OSÄKERHETSFAKTORER 27 6. SVAGHET/STYRKA 28
1. INLEDNING Att med ljudets hjälp finna felaktigheter i material är en sedan gammalt använd metod, man provar t ex fortfarande hjulen på järnvägsvagnar genom att knacka på dem. Högfrekventa vågors (ultraljud) fortplantning i olika media började man utforska i slutet på 1920-talet, men det är först under de senare årtiondena som utvecklingen tagit fart, dels inom materialprovningen och dels inom sjukvården. Det återstår dock många problem att lösa innan man uppnått tillfredsställande resultat när det gäller t ex storleksbestämning av felaktigheter. Ultraljud används inom stålindustrin för provning av bl a smidesdetaljer, gjutgods, plåt, rör och svetsfogar med avseende på in- och utvändiga felaktigheter. Ultraljud kan även användas för bestämning av tjocklek, elastiska egenskaper, bedömning av struktur m m. Metoden har växt fram som ett komplement till röntgenprovningen (och har i vissa fall blivit dess "överman"). Följande rapport beskriver svetsprovning msd impulsekometoden (en puls sänds ut och en eventuell defekt reflekteras som ett eko) medelst kontaktteknik (ultraljudsökaren har direktkontakt med provföremålet, i motsats till immersionsprovning där sökare och provföremål är åtskilda av och nedsänkta i en vätska). Principen för all ultraljudprovning är dock densamma.
2. ULTRALJUDPROVNINGENS PRINCIP 2.1 Impuls-ekometoden Ultraljudtekniken bygger på den piezoelektriska effekten: Genom att utsätta en kristall, t ex bariumtitanat, för strömpulser alstras högfrekventa vibrationer som vidarebefordras som ultraljudvågor i det material med vilket kristallen (=ultraljudsökaren) har kontakt. Fenomenet används i omvänd ordning om ultraljudvågen reflekteras tillbaka till sökaren, strömpuls kristall. provobjekt Om den utsända ultraljudvågen "träffar" en reflekterande yta erhålls en indikation, dvs ett eko på bildskärmen, (=katodstrålerör). material/provobjekt Reflekterande yta
En reflekterande yta är en gräns mellan två material med olika densitet. När en ljudstråle träffar en yta med en annan densitet kommer en del av ljudenergin att reflekteras medan en del passerar gränsytan. Reflektionsyta* Kolstål Austenitiskt stål Maximal reflektion ges vid övergång från stål till luft (luftspalter i form av sprickor, bindfel m m». Om ljudstrålen dessutom träffar vinkelrätt mot ytan erhålls totalreflektion. Bandfel (luftspalt) Om ljudstrålen triffar snett emot en yta (stål mot luft/vatten e dyl) "studsar" ljudet vidare (infallsvinkel = reflektionsvinkel).
2.2 Utrustning För att genomföra en manuell kontaktprovning behövs följande utrustning:
Ultraljudaggaratens funktion vid impuls-ekometoden är att göra det möjligt att mäta skillnader mellan sänd signal (puls) och mottagen signal (eko). Den sända signalen förändras inte under provningen, medan den mottaona signalen varierar med avseende på styrka (amplitud) och tid (ljudväg). Då det är små tidsskillnader (ca 10~ sek) och korta mottagna signaler som skall mätas används ett speciellt katodstrileoscilloskop med möjlighet att sända och ta emot korta strömpulser. Tidsskillnaden mellan sänd puls och mottaget eko uppstår då den elektriska pulsen övergår till ljud' trycksvåg i provobjektet. Ljudets hastighet i stål: Transversella ljudvågor Longitudinella ljudvågor 3250 m/s 5940 m/s ultraljudsignal elektrisk signal Reflektionsyta Då ljudhastigheten i provobjeket är konstant och sträckan = hastigheten x tiden, kan man kalibrera så att tiden för ljudet att tillryggalägga en sträcka i provobjektet (B) avläses i mm på bildskärmen (längdkalibrering).
Den sträcka som ultraljudet rör sig i sökaren (A) är konstant för varje sökare och kan läggas utanför bildskärmen, nollpunktkalibrering. Sträckan i provobjektec (B) mätbar på bildskärm. Den horisontella axeln på bildskärmen kallas tidsaxel och används för längdkalibrering. Informationen som erhålls på den vertikala axeln anger hur stor ljudenergi som den mottagna signalen har och är ett sätt att ange hur god reflektor ett fel är. Den mottagna signalen förstärkas olika mycket beroende på vilken känslighet som är önskvärd vid provningen. Sökaren är den del av utrustningen som anpassas till provobjektet och de typer av felaktigheter som kan förväntas. Parametrar hos sökare: Frekvens * Den frekvens kristallen svänger med när den utsätts för strömpuls 0,5-20 MHz (1MHz» 10 6 svängningar/sek). Kristallstorlek * Storleken på kristallen ex 8 x 9 mm. Infallsvinkel 3 Vinkeln den infallande ljudstrålen har i provobjektet.
ökare Infalls- i Provobjekt vinkel ' Val av frekvens och kristallstorlek påverkar ljudstrålens möjlighet till inträngning i materialet och dess divergensvinkel (spridning). Val av infallsvinkel styrs av provningsobjektets utformning och förväntade fel. Vinkeln väljs så att det eventuella felet träffas så vinkelrätt som möjligt, vilket ger maximal reflektion. Vid provning av ett objekt väljs flera olika vinklar, vanligtvis två, 45 och 60 eller 45 och 70. Ljudvågorna utbreder sig i tre olika former: Transversellt Partikelrörelsen (partiklarnas mekaniska svängningar i det provade materialet) vinkelrätt mot ljudets utbredningsriktning. Partikelrörelsen försiggår i ljudets utbredningsriktning. Ytvågor (Rayleigh- Har dock liten praktisk betydelse i vågor) det här sammanhanget.
v (I) <-\ v «a u O.-.0-5 1 \ Utbredningsriktning Transversella svängningar. Riktning på \ partikelrörttlse J ' "1 Utbredningsriktning < Longitudinella svängningar
10 Typer av sökare: Infallsvinkel 0. Används vid provning av fel parallella med avsökningsytan, t ex skiktningar i plåt/ och vid tjockleksmätning. Samtliga normalsökare använder sig av longitudinalvågor, som har den bästa inträngningsförmågan. Vinkelsökare Vanligast vid provning av svets. Vinkel sökare använder sig av både longitudinella respektive transversella vågor. Transversalvågor har bättre detekterbarhet för små fel. Kristallen i sökaren sänder endast longitudinella vågor som vid behov omvandlas till transversalvågor i sökaren. Ovanstående typer finns som: Sändare och mottagare av ljudvågor i samma kristall. Har den nackdelen att de inte kan indikera fel som ligger nära sökaren. För fel nära sökaren finns tvåkristallsökare där"in"icriställ"fungérar som sändare och en annan som mottagare.
11 2.3 Mätparametrar Det finns två typer av mätparametrar; dels för lä gesbestämning av ett fel och dels för storleksbestämning. Hed kännedom om följande parametrar; 1. Ljudväg (fås från bildskärm) 2. Sökarens avstånd från centrumskarv (uppmätes med linjal) 3. Infallsvinkel (sökarkonstant) 4. Godstjocklek 5. Fogform går det att lägesbestämma ett fel. (felets amplitud) Den information som ges på vertikala axeln på bildskärmen (felets amplitud) utnyttjas vid storleksbestämning. Det anger inte storleken i dess egentliga mening utan anger felets egenskaper som reflektor för ljudstrålen. Felets amplitud anges i procent av en känd reflektor (referensfel).
12 2.4 Kalibrering av längdskala För att bestämma lokaliseringen av eventuella indikationer mäts avståndet från sökaren till reflektionsytan. Detta kräver att utrustningen först kalibreras mot ett känt avstånd för att erhålla en längdskala på bildskärmen. Skalans längd beror på den ljudväg som maximalt krävs för att avsöka provobjektet. Eftersom ljudstrålens vinkel är känd kan lokalisering av indikationen göras i längd- och djupled, grafiskt eller med hjälp av trigonometri. A Kalibreringsblock
13 2.5 Känsljghetsinställning Det finns olika sätt att kalibrera känsligheten, det grundläggande är dock att man i förväg har bestämt sig för en viss accegtansgräns = storlek på ett konstgjort fel ( f ensfel). Det vanligaste sättet är att upprätta en DAC = Distance Amplitude Curve mot den i förväg bestämda referensfelstorleken. Låt oss därför simulera en kalibrering, där specifikationen föreskriver referensfel CBH (»cylinderborrhål) 0 2.4 mm, steg för steg. S_ ISE QSlSE2EE < av samma material och godstjocklek som provobjektet) med borrhål, 0 2.4 mm tillverkas. Kalibrering av längdskala skärmen, t ex 0-50 m. (se avsnitt 2.4) på bild- Känslighetsinställning (»förstärkning av ljudvågen) mot referénsfelet. Eftersom känsligheten (dämpning: en funktion av spridning och absorption) avtar med avståndet krävs det flera referensfel på olika avstånd för att få fram en kurva. 1. Det närmaste referensfelet förstärks (mäts i db) så att inp.lituden (=höjden på "ekot") når upp till ungefär Övre kanten av bildskärmen. Högsta punkten markeras på skärmen och förstärkningen antecknas (t ex 12 db).
14 2. Nästa fel (30 mm:s ljudväg) detekteras med bibehållen förstärkning. På grund av den längre ljudvägen (=avståndet från ultraljudsökaren till reflektionsytan) blir amplituden lägre. 2 / 7 12 db 50 50 50 Det tredje felet markeras på motsvarande sätt. Markeringarna förbinds och DA<>skalan är klar Kurvan motsvarar nu (vid 12 db:s förstärkning). Hänsyn till eventuella skillnader mellan referenskroppen och provobjektet måste också tagas: Dämpning Transferförlust Den "ljudförlust" som blir i materialet på grund av grov struktur, (korngränser, mikroslägger o dyl), a Den förlust som blir i övergången mellan ultraljudsökare och provobjekt på grund av ojämn yta, rost m m. Eventuella skillnader kompenseras med förstärkningen. Amglitud (som anges i procent av referensnivå) och förstärkning har följande samband: För att fördubbla höjden av ekot på skärmen (amplituden) krävs en förstärkningshöjd av 6 db.
15 Både amplitud (% DAC) och förstärkning (db) används för att ange indikationsstorlekar. T ex 1000% DAC motsvarar +20 db (räknat från referensförstärkningen), dvs man har fått sänka förstärkningen 20 db för att den skall motsvara 100% DAC. Det finns även av sökarfabrikanten framtagna skalor (och diagram) för varje sökartyp, som är teoretiskt och experimentellt framtagna (t ex Krautkrämers AVG-skalor - Abstand Verstärkung Grösse). Förstärkning och längdskala kalibreras mot ett standardiserat block. Kompensation för eventuella transferförluster måste också göras. Felstorlek (flatbottenhål) och läge kan sedan läsas av på de prefabricerade skalorna.
16 2.6 Utvärdering Vid provning förs sökaren fram och tillbaka i ett zig-zag mönster så att hela provobjektets volym avsöks. Snittet på 3kissen visar exempel på ljudstrålarnas väg vid olika sökarlägen. Både direkta ljudstrålar och studsade ljudstrålar används vid avsökning. Provning sker från bägge sidor av svets. När man får ett eko från ett fel på bildskärmen flyttas sökaren så att max. eko erhålles. Detta maximala eko kallas felets_amglitud och anger hur stort ekot är i procent av en känd reflektor (referensfel). Felets amplitud anger inte direkt storleken på det verkliga felet, utan endast dess egenskaper som reflektor för ljudstrålen.
Faktorer som påverkar ekot är felets vinkel mot ljudstrålen, utbredning samt geometriska form. Om max. ekot överstiger rapporteringsnivå (vanligtvis 50% av referensnivån) längdbestämmes felet enligt någon av följande metoder. Förutom att jämföra felindikation mot ett konstgjort fel, som är ett sätt att bedöma storleken, vill man även bedöma längden på felet. För höjd - (*djup) bestämning finns för närvarande ingen pålitlig metod. ^' _ _ 2E 00% sänkning av max. eko) kallas också halvvärdesmetoden. Sökaren flyttas så att ett max. eko erhålles. Sedan flyttas sökaren i sidled längs felet tills 50% av max. ekot fås på bildskärmen. Detta utgör felets ändpunkter då halva ljudstrålen reflekteras tillbaka, 17 ÉMÖMOJO 30% Fellängd * Sökarförflyttning i sidled. 2 * 22-31L3E2E sänkning av max. eko, 10% kvar). Som i föregående fall maximeras ekot från felet, och för att bestämma felets ändpunkter flyttas sökaren så att 10% av max. eko fås på bildskärmen, men här måste man ta hänsyn till strålknippets bredd (strålknippets bredd definieras som den bredd där det reflekterade ekot är 10% av det
18 1 från centrumstrålen, och kan upprättas för varje sökare). Fellängd * Sökarförflyttning i sidled minus strål bredd 3 Ej vedertagna metoder för längdbestämning av fel utan variationer på föregående metoder. 4 Fellängden bestäms som den sökarförflyttning i sid led längs ett fel där ekot hela tiden ligger över 50% av referensfelets eko. Metoden kan ses som en variant av 6 db drop där man istället för verkliga fel (med varierande max. amplitud) har ekot från referensfelet (100%) som utgångsvärde för halvering av ekohöjden. Med kännedom om de lägesparametrar som ges under mätparametrar, samt provobjektets utformning kan felets läge i svets bestämmas. När ett fel är lägesbestämt finns det en möjlighet att avgöra vilken typ av fel det är, med utgångspunkt från felets läge i svetsen.
19 A B C Fel vid fogytor: Bindfel Fel i svets: Slagg, Slaggstråk Fel i rotområde: Rotfel Detta område är svårbedömt då det finns möjlighet att få ekon från rotvulster, valv och kantförskjutningar som är acceptabla, men som med ultraljud ger ekon över acceptansnivå. Ex Valv Lägesbestämning visar att felen ligger åtskilda.
20 Vulst Som föregående^ men ekona ligger omlott. Kantförskjutning Ger endast eko från en sida. Xven om det teoretiskt är möjligt att skilja acceptabla' och icke acceptabla diskontinuiteter i rotområdet kan det i praktiken vara omöjligt/ och kan ge upphov till felaktig utvärdering. Vid utvärdering av typ av fel finns möjlighet att avgöra ett fels riktningskänslighet. 2-dimensionella fel (sprickor, bindfel och rotfel) är riktningskänsligare än 3-dimensionella fel (slagg, slaggstråk, porer). Riktningskänsligheten kontrolleras så att sökaren föres i cirkelbåge runt felet och man ser hur snabbt amplituden avtar på bildskärmen.
21 Spricka i I Slagg För 3-dimensionella fel kan man röra sökaren i en större cirkelbåge innan ekot försvinner.
22 3. PÅGÅENDE UTVECKLING Utveckling pågår främst på utrustningssidan (sökare, automatiserad avsökning, direktregistrering m m) men även metodutveckling pågår (höjdbestämning av sprickor m m). 3.1 Utrustning 3.1.1 Sökare För att förbättra provbarheten av austenitiska material har ett antal typer av vinkelsökare med longitudinella ljudvågor tagits fram. Longitudinella ljudvågor har större förmåga att "tränga" igenom grova strukturer dock på bekostnad av känsligheten. Sökare med sin brännpunkt på ett visst avstånd, s k fokuserande sökare, kan underlätta felstorleksbedömningen av funna defekter eftersom man ej "luras" av det divergerande (»spridna) ljudfältet. Fokuseringsavståndet väljs samma som det avstånd på vilket en eventuell defekt är detekterad. 3.1.2 Direktregistrerande^utrustning Alla indikationer oavsett storlek spelas in på magnetband; referensnivån kan sedan väljas i efterhand. Svejsecentralen i Danmark har en typ kallad P-scan, vilken redovisar resultatet tredimensionellt på papperskopior. De direktregistrerande utrustningarna har ofta en automatiserad avsökning (sökarna löper exempelvis på en kedja som kopplas runt provningsobjektet).. 3.2 Metodutveckling Den metodutveckling som pågår är främst inriktad på typbedömning och storleksbestämning av fel. Fel som uppkommer vid tillverkning av komponenter åtgärdas
23 vid tillverkningen. Fel som uppkommer under drift ges inte samma klara acceptanskrav som vid tillverkning, utan här är det önskvärt med ett underlag för hållfasthetsberäkningar. För att kunna utföra beräkningarna krävs att felets verkliga storlek är känd. När det gäller erosions- och korrosionsskador är det provningstekniskt inga problem. Problem uppkommer emellertid vid storleksbestämning av sprickor/ varvid längden går att bestämma ganska exakt medan sprickdjupet med dagens metoder är omöjligt att entydigt bestämma. Nedan följer några av de idéer man arbetar efter vid bestämning av sprickdjup. 3.2.1 Tanken är att jämföra amplitudhöjden från en spricka med den från ett känt spår. En bra metod att längdbestämma sprickor med, men sprickdjupbedömningen blir osäker. 3.2.2 Med fokuserad raksökare får man ett eko från sprickans topp. Med olika fokuserande vinkelsökare (fokuserade på olika djup) får man ett eko från sprickans topp. 3.2.3 Sgrickans_ayskärmning_ay_l}udvägen Provas med två 3ökare, en sändare och en mottagare. Skillnaden i amplitud mellan felfritt objekt och objekt med fel utvärderas.
24 Felfri Spricka Försök görs även att anpassa utrustning för medicinska ändamål till materialprovning. I dessa fall används mikrodatorstyrda system, där ljudstrålens form (fokuseringsdjup) och infallsvinkel varieras på elektronisk väg med hjälp av mikrodatorn, Ultrasonic Phased Array.
25 4. REPRODUCERBARHET Reproducerbarhet = Förmåga att kunna utföra flera provningar likartat och därmed kunna jämföra resultaten. Strävan efter reproducerbarhet innebär inte enbart användandet av konstgjorda fel (referensfel) utan också att utrustning, längdbestämningsmetod, sökartyp, frekvens, vinkel ra m, är samma vid olika provningstillfällen. Detta ställer krav på en detaljerad procedurbeskrivning som fastställer alla provningsparametrar. Dessutom krävs en rapportering som innehåller alla nödvändiga fakta. Eftersom det är omöjligt att beskriva den verkliga storleken av en defekt så jämförs alltid felindikationer mot konstgjorda fel (med storleken på referensfelen avpassar man även toleransnivån * acceptansnivån), De vanligast använda referensfelen är: 1. CBH * Cylinderborrhål 2. PBH = Flatbottenhål 3. Notch/Spår Deti är viktigt att tänka på vilken typ av referensfel som har använts, t ex CBH 0 10 mm; låter väldigt stort men har i verkligheten en relativt liten reflektoryta, medan däremot t ex FBH 0 3 mm reflekterar ljud med hela ytan.
26 Även notch/spår är en "bra" reflektor. Kravet på reproducerbarhet får väl anses vara tilxgodosett vid nutidens provningar inon t ex kärnkraftindustrin, där provningarna styrs av ";\GAB-reglerna" (Arbetsgruppen för återkommande besiktning) respektive "SKI-momenten", när det gäller nyroontage. De saker som fastläggs i SKI-momenten respektive AGÅB-reglerna är bl a provningsomfattning och acceptånsnivå. Det föreskrivs vidare att en detaljerad procedurbeskrivning skall framtagas för olika typer av provningsobjekt som i sin tur beskriver utrustning, kalibreringsmetod m m.
27 5. OSÄKERHETSFAKTORER Eftersom metoden bygger på ett antal måttangivelser; på ritning, avläst på bildskärm, mätning på provobjektet osv, som sedan används för trigonometrisk eller grafisk bestämning av feltyp, läge/lokalisering ställs det höga krav på exakthet. Mätning av sökarens vinkel är också en viktig faktor liksom tjockleksmätning av provobjektet. Vid svetsprovning är kännedom om fogform nödvändig för att kunna göra en riktig tolkning av resultatet. Graden av åtkomlighet kan också inverka på resultatet, det är vanligt att man på grund av svetsrågen inte kan röra sökaren så nära svetsen som önskvärt vore. Materialets struktur (dämpning) måste bestämmas liksom provobjektets yta (transferförluster) för att kunna kompensera avsökningskänsligheten. Möjlighet finns ofta till att göra en kompletterande provning med t ex radiografering eller magnetpulver för att verifiera ultraljudprovningens resultat. Ovannämnda faktorer ligger oftast inom operatörens möjlighet att minimera, med andra ord är operatören själv oftast den stora osäkerhetsfaktorn på grund av bristande utbildning, ovana vid provningsobjekttypen och bristande uppmärksamhet.
28 6. SVAGHET/STYRKA Ultraljudprovningens styrka: - Tillsammans med radiografering är ultraljudprovningen den enda OFP-raetod (oförstörande provning) som kan finna felaktigheter inneslutna i material (volymetrisk provning). - Metoden har god detekterbarhet av de flesta typer av fel. - Provningen kräver lite utrustning, varför den kan utföras nästan överallt. - Metoden går att använda även på vätskefyllda provobjekt, dvs tankar och rörsystem behöver ej dräneras ur vid provning. - Stora materialvolymer såsom sraiden, plåt och gjutgods provas relativt snabbt. - Metoden kan automatiseras för t ex rörprovning (oftast immersionsprovning). - Tjockleksmätning kan utföras med stor exakthet. Ultraljudprovningens svaghet: - Funna felaktigheter går ej alltid att storleksbestämma. - Typ av felaktigheter svårt att ange. Svårt att skilja geometriska indikationer (rotvulst, svetsråge, oregelbundenheter i ytan m m) från verkliga fel.
29 Provning av austenitiska material har vissa begränsningar på grund av den stora kornstorleken samt graden av elastisk anisotropi. Metoden är oftast helt beroende av operatörens skicklighet att avläsa/tclka provningsresultatet. Någon direktregistrering av provningen är svår att erhålla, det är alltså upp till operatören att tolka resultaten under provningens gång och senare rapportera dem.