Контроль сталей, работающих при повышенных температурах в водородных средах с использованием метода полной фокусировки TFM

Причиной разрушения трубопроводов, эксплуатируемых при повышенных температурах от 200 °С и давлениях от 300 МПа является высокотемпературная водородная коррозия (HTHA), возникающая в среде, содержащей водород и высокие температуры. Высокие температуры изменяют атомарную форму водорода, создавая пузырьки метана внутри стали, которые могут превратиться в трещины. Владельцы нефтеперерабатывающих заводов в настоящее время проводят дополнительные профилактические проверки для HTHA. Однако дефекты HTHA очень малы, и их трудно обнаружить с помощью обычного ультразвукового контроля или других методов неразрушающего контроля. Недавно были предложены новые методы ультразвукового исследования, в том числе полноматричный захват (FMC)/метод полной фокусировки (TFM), дифракционно-временной метод (TOFD) и ультразвуковой контроль с применением фазированной решеткой (PAUT). Они применялись в полевых условиях и совершенствовались на основе накопленного опыта. В этой статье представлена ​​ультразвуковая методика FMC/TFM для контроля HTHA.

Высокотемпературная водородная коррозия происходит в среде, где сочетаются высокие температуры и присутствие водорода, в основном для низколегированных сталей. Высокая температура заставляет часть водорода переходить в атомарную форму, что позволяет ему мигрировать в сталь. Внутри стали водород будет реагировать с углеродом и образовывать метан, который не сможет мигрировать через сталь. 

Поэтому метан задерживается в металле, как правило, в виде микроскопических пузырьков метана на границах зерен в стали (стадия 1). По мере того, как эти пузырьки начинают расти, они начинают сливаться (стадия 2) и в конечном итоге приводят к растрескиванию и растрескиванию (стадия 3). HTHA возникает преимущественно в сварных швах, зонах термического влияния и в материалах, не подвергавшихся термической обработке.

В результате HTHA может проявляться в различных формах, включая обезуглероживание и небольшие пустоты на ранних стадиях, связанные пустоты на промежуточных стадиях и пузыри и трещиноподобные повреждения на поздних стадиях. Из-за разнообразия форм дефектов и небольшого размера раннего повреждения HTHA представляет собой сложную задачу ультразвукового контроля. До недавнего времени API RP 941 рекомендовал ряд ручных ультразвуковых методов, которые были разработаны в 1980-х и 1990-х годах, таких как усовершенствованный метод ультразвукового обратного рассеяния (AUBT). Обновление API RP 941 от 2020 г. теперь включает в себя более современные методы, такие как метод TOFD, ультразвуковой контроль с фазированной решеткой и метод полной фокусировки. Мы также должны упомянуть датчики TULA, которые по сути являются датчиками Ultra Low Angle TOFD или TULA. Все эти новостные инструменты доступны с Capture™программное обеспечение, встроенное в дефектоскопы Gekko® и Mantis™ от Eddyfi Technologies.

Учитывая свойства раннего повреждения HTHA, представляющего собой небольшую пустоту в материале, важно, чтобы метод контроля был чувствителен к небольшим дефектам, а также мог эффективно охватывать потенциально пораженную область. Для правильной характеристики также полезно, чтобы метод имел высокое разрешение, позволяющее отличить аномалии от других отражателей. В следующей таблице представлен обзор пяти методов с указанием их основных преимуществ и недостатков.

TFM с новым датчиком для HTHA

FMC/TFM был недавно добавлен в ASME по котлам и сосудам под давлением и успешно использовался для контроля HTHA. Статья BP, написанная в соавторстве с Eddyfi Technologies, «Оценка высокотемпературной водородной коррозии с использованием усовершенствованных методов ультразвуковой решетки», была опубликована в ноябре 2020 года в журнале «Оценка материалов» и получила награду Американского общества неразрушающего контроля (ASNT) за выдающуюся работу 2021 года.

Поскольку FMC/TFM фокусируется повсюду в интересующей области, он обеспечивает оптимальное пространственное разрешение вдоль активной плоскости, что крайне важно для обнаружения небольших дефектов, таких как HTHA. Тем не менее, по-прежнему важно оптимизировать параметры преобразователя (шаг, частота, клин и т. д.), чтобы свести к минимуму это пространственное разрешение, избегая при этом решетчатых лепестков. EddyFi разработали новый датчик PAUT для контроля четырех 35-миллиметровых (1,4-дюймовых) образцов, который повышает чувствительность по сравнению со стандартными датчиками PAUT. На следующих изображениях мы показываем пятно луча вдоль активной и пассивной плоскостей, сравнивая преобразователь 64L10-G2 (10 МГц, 64 элемента, шаг 0,35 мм/0,01 дюйма, высота 8 мм/0,3 дюйма) с призмой L0 с нашим новым датчиком также с частотой 10 МГц и 64 элементами с призмами L0 и SW55.

Частоты, используемые в этих расчетах, измерены экспериментально. Для активной плоскости мы рассматриваем наихудший сценарий, когда один из пикселей находится в крайнем нижнем углу

Для активной плоскости мы видим, что оба луча очень похожи. Есть небольшое улучшение с новым датчиком, изменяющим фокусное пятно от 1 до 0,8 миллиметра (от 0,039 до 0,031 дюйма).

Для пассивной плоскости мы видим, что луч специального датчика составляет от половины до одной трети луча стандартного датчика. Это улучшение пространственного разрешения обеспечивает лучшую чувствительность к обнаружению, так как поверхность фокального пятна в наименьшей точке в 2,5 раза меньше по сравнению со стандартным датчиком. Это также обеспечивает лучшую характеристику слияния дефектов.

Чтобы проиллюстрировать улучшение чувствительности, мы проводим контроль образца толщиной 10 миллиметров (0,4 дюйма), содержащего отверстия с плоским дном (FBH) размером от 2 миллиметров (0,08 дюйма) до 0,2 миллиметра (0,008 дюйма), расположенные на разной глубине. На следующих рисунках мы показываем заднюю часть образца с различными отверстиями и результаты, полученные с помощью стандартного датчика вверху и датчика HTHA внизу. T-скан и A-скан отображаются для одного из 0,2-миллиметровых (0,008 дюймов) FBH. Стандартный датчик с трудом обнаруживает 0,2-миллиметровые (0,008 дюйма) FBH, в то время как датчик HTHA обнаруживает их с отношением сигнал-шум (SNR) 14 дБ. Из-за большего луча вдоль пассивной плоскости для стандартного ПЭП.

Образец HTHA, который мы рассмотрели, представляет собой блок размером 150x45x25 миллиметров (5,9x1,8x1 дюйм), который содержит промышленный HTHA. Образец для испытаний был разрезан, чтобы выявить трещины HTHA вблизи поверхности блока. Образец подвергали металлографической шлифовке и полировке с использованием процедур, приведенных в стандартном руководстве по подготовке металлографических образцов ASTM E3-01 (2007 г.). На следующих изображениях показано повреждение HTHA вдоль одной из поверхностей. Видно, что дефекты находятся в диапазоне десятков микрон, в то время как появляются более крупные дефекты (~ 200-300 мкм) (правое изображение).

Образец сканировали ультразвуком с помощью FMC со специальным преобразователем и одно осевым энкодером. Область TFM составляет 30x20 миллиметров (1,2x0,8 дюйма) с 90к пикселями, что приводит к размеру пикселя 0,09 миллиметра (0,004 дюйма) для соблюдения точности амплитуды, описанной в стандартах. Когда данные собираются каждый миллиметр, скорость сканирования составляет 54 миллиметра (2,1 дюйма) в секунду.

На следующих изображениях показаны результаты, полученные с помощью стандартного датчика (вверху) и датчика HTHA (внизу). Изображения отображают Т-скан (слева), А-скан, С-скан и вид сбоку (справа). Крупные детали видны обоими датчиками; на данный момент неясно, являются ли они включениями или HTHA стадии 3, для которой микротрещины слились, образуя более крупные трещины, как показано на предыдущем макрографическом изображении (справа). Невозможно четко увидеть HTHA 2-й стадии со стандартным датчиком, в то время как он хорошо виден с новым датчиком HTHA.

Мы оценили тот же преобразователь на том же образце, используя призму SW55. Поперечные волны обычно используются для поиска HTHA в зоне термического влияния (HAZ) или в сварном шве. Здесь мы использовали его для контроля основного материала. Идея здесь состоит в том, чтобы свести к минимуму мертвую зону и изохроны, которые иногда наблюдаются при использовании TFM с контролем L0. Мы используем область интереса размером 25x28 мм (0,98x1,10 дюйма) с разрешением 219к пикселей. Несмотря на увеличение количества пикселей, скорость сканирования составляет 76 миллиметров (3 дюйма) в секунду благодаря технологии (PWI). Это можно еще улучшить, используя огибающую сигнала TFM.

Поскольку чувствительность здесь является ключевой, мы используем схему получения PWI с TFM (подробнее читайте в этой статье). PWI - это, по сути, секторное сканирование с использованием полной апертуры матрицы (здесь 64 элемента) в сочетании с реконструкцией TFM. Преимущество заключается в повышении производительности, поскольку мы используем меньше углов по сравнению с FMC, и большую чувствительность, поскольку мы запускаем все элементы, а не по одному за раз. Можно получить большую чувствительность, используя больше углов, но с меньшей скоростью сканирования. PWI покрывается стандартами.

Мы рассчитали усиление с поправкой на время (TCG) после коррекции чувствительности, описанной в ISO 23865 и реализованной в программном обеспечении Capture (подробнее здесь). Это важно при выполнении контроля HTHA, поскольку операторы хотят получать одинаковые отклики, где бы HTHA ни находился в области интереса.

На следующем изображении показаны результаты, полученные с новым датчиком HTHA. Как и раньше, мы отображаем Т-скан, А-скан, С-скан и вид сбоку. На А-скане видно, что разница в амплитуде между основным материалом (начало А-скана до 17 миллиметров/0,7 дюйма) и областью HTHA довольно велика. Мы измеряем разницу в 20 дБ с большими отметками вдоль задней стенки. Эта разница больше, чем результаты, полученные с призмой L0. Это можно объяснить меньшей длиной волны поперечной волны и более высоким энерговкладом PWI.

На следующем видео показаны результаты, когда мы двигаемся вдоль оси сканирования. Можно довольно легко увидеть область образца, содержащую HTHA.

Когда дело доходит до контроля HTHA, необходимо искать оборудование PAUT, которое предлагает все методы, рекомендованные API (UT, TOFD, PAUT, TFM), а также правильные датчики и конфигурацию контроля. Компания Eddyfi Technologies разработала новый датчик PAUT с более высокой чувствительностью, и в сочетании с PWI и TCG мы получаем более высокую чувствительность и лучшую скорость сканирования, чем традиционные датчики с двойной линейной матрицей.

Для контроля поверхности и обнаружения небольших трещин хорошо подходят наши решения на основе вихретоковой решетки (ECA). Датчики Eddyfi Technologies ECA могут быть адаптированы к вашему приложению для обеспечения количественных и воспроизводимых измерений, извлечения информации о длине и глубине.