امواج مافوق صوت در تشخيص نقص خطوط لوله – بخش سوم(توپک ماوراء صوت)

توپک ماوراء صوت

دستگاه توپك ماوراء صوت در سال‌هاي ۱۹۹۱ و ۱۹۹۴ توسط شركت پايپترونيكس طراحي گرديد. دستگاه مزبور جهت تشخيص عيوبي كه به عنوان ترك‌هاي محوري در خط لوله ايجاد ميشود, مخصوصاً تركهاي ناشي از خستگي فلز و ترك‌هاي ناشي از خوردگي تحت تنش يا ترك‌هاي عيوب جوش, به كار ميرود. اين دستگاه از پائيز ۱۹۹۴ به طور عملي بهكار گرفته شده است. توپك هوشمند قابليت جمع‌بندي اطلاعات انتخاب شده به صورت دو بعدي, نمودارهاي هيستوگرام, محيط‌هاي مرئي مانند C-Scan و B-Scan و نمايش جدول را دارد

توپكهاي هوشمند از نوع  THE FURNANCE TUBE INSPECTION SYS هم از نظر كيفيت بررسي اطلاعات و هم از نظر بي خطري همه جانبه در هنگام عملكرد كوره‌هاي پالايشگاه‌ها ترقي پيدا كرده است. عملكرد توپك هوشمند FTIS بر پايه ويژگي‌هاي مافوق صوت و آزمايش‌هاي غير مخرب NDT جهت تعيين و اندازه‌گيري قطر داخلي و ضخامت ديواره در خطوط لوله نفت كوره است. اندازه‌گيري‌هاي دايروي وابسته به اندازه‌گيري‌هاي ضخامت ديواره لوله است.
به دليل بهره‌گيري از تكنيك تشخيص ضخامت مضاعف و مهارت فني به علاوه تكنولوژي پيشرفته رايانه‌ها, اين دستگاه علاوه بر تشخيص صد در صد ترك با حساسيت بالا قادر به طبقه بندي عيوب نيز هست. مهمترين خصوصيات فني دستگاه مذبور به شرح ذيل است :

حداقل تشخيص طول عيب:  ۳۰ميليمتر

حداقل تشخيص عمق عيب:  ۱ميليمتر

سرعت اندازه گيري (بازرسي): تا ۱متر در ثانيه (حداقل طول عيب ۳۰ميليمتر), تا ۲متر در ثانيه (حداقل طول عيب ۶۰ميليمتر)

اندازه‌هاي موجود: ۶۰/۹۶ تا ۱۴۲/۲۴ سانتيمتر

بررسي كليه داده‌هاي به دست آمده از توپك ماوراءصوتي تماماً نرم‌افزاري انجام ميشود. تنها مرحله نهايي كه طبقه‌بندي عيوب است توسط افراد مجرب با بهره‌گيري از رايانه انجام ميپذيرد. علاوه بر تشخيص ترك اين دستگاه قادر به تشخيص عيوب ديگر نيز هست :

• خوردگي ورقه‌ورقه / ناخالصي/ تاول
• برخي از انواع كاهش داخلي/ خارجي فلز
• تو رفتگي (گودي)
• شيار طولي
• تغيير شكل
• فلنج
• ويژگي‌هاي جوشكاري
• ضخامت‌هاي مختلف ديواره
• مفيد براي شيرها , كمرگاه‌ها و زانوها

روش بازرسي

دستگاه ماوراء صوت در تشخيص تركهاي داخلي و خارجي با حساسيت و وضوح بالا كاربرد دارد. به همين علت در اين ابزار از امواج برشي استفاده ميشود كه همان طور كه قبلاً گفته شد از جدار لوله به صورت زاويه‌گون انتقال مييابد و با ايجاد ارتعاشات ماوراء صوتي از درون مايعي (نفت، آب و غيره) كه به عنوان واسط عمل ميكند عبور مي‌نمايد. زاويه برخورد به صورتي تنظيم ميشود كه زاويه شكست ۴۵ درجه‌اي در لوله فلزي به وجود آيد(شكل ۳۹) به دليل آنكه ترك‌هاي ناشي از خستگي فلز و همچنين ترك‌هاي خوردگي تحت تنش معمولاً عمود بر عامل اصلي تنشي –مانند تنش حلقه‌اي- در لوله هستند، ارتعاشات ماوراء صوت در جهت محيطي ارسال ميشوند تا به اين وسيله حداكثر بازتاب صوتي به دست آيد. حمل كننده حسگرهاي توپك ماوراء صوت به صورتي طراحي شده است كه كل محيط لوله با دقت در جهت عقربه‌هاي ساعت و عكس عقربه‌هاي ساعت بازرسي شود. تعداد ۴۸۰ حسگر بر روي ۱۶ پاية حمل‌كننده حسگرها قرار گرفتهاند (براي لوله‌هايي به قطر ۶۶/۰۴ يا ۶۰/۹۶سانتيمتر) كه براي تشخيص ترك است. اين روش موجب پوشش كل قطر لوله ميشود و اطمينان ميدهد كه امواج منعكس شده مناسب توسط حداقل ۱۰ حسگر تشخيص داده شده است. علاوه بر اين حسگرها دو حسگر در هر رديف به طور مداوم ضخامت اوليه و جوش‌هاي محيطي را اندازه‌گيري ميكنند. حسگرها روي حمل‌كننده‌اي كه قابليت انعطاف بالايي دارد و از جنس پلياورتان است.

شکل۱: نماي هندسي در چپ و تصوير دامنه ٍ A-Scanدر راست

نصب شده‌اند و فاصله حسگرها تا جدار لوله ثابت است و باعث ميشود كه همواره زاويه برخورد امواج يكسان و دقت قابل قبولي داشته باشد.
با توجه به زاويه برخورد، فاصله بين حسگر و گسستگي (نقص)، مشخصات حسگر و عوامل ديگر, انعكاس امواج ماوراء صوت از ديواره به علائم نمونه پيچيده‌اي منتهي ميشود. به منظور درك بهتر علائم ثبت شده، محاسبات المان محدود متعدد با استفاده از روش‌هاي الگويي انجام شده است.

شکل۲:  ترتيب قرار گرفتن حسگرها براي بازرسي داخل خط لوله

ساختار توپك ماوراء صوت

ساختار كلي دستگاه در شكل ۳ نشان داده شده است. قسمت مكاننما در جلو دستگاه, علائم را از فرستندههاي نشانگر كه در محل‌هاي معيني روي زمين قرار دارند و مرجع ثبت مسافت‌ياب هستند دريافت ميكند. اين موجب اطمينان كامل در تعيين نقاط معيوب مشخص شده نسبت به وضعيت مطلق در لوله است و انتخاب محل گود برداري را ميسر ميكندً. نشانگر با سيستم نشانگر پايه زماني قابل تنظيم است. براي همزمان كردن زمان سنج‌هاي دستگاه و نشانگرهاي روي زمين, زمان مرجع از طريق GPS به دست مي‌آيد.

شکل۳:  آماده سازي دستگاه ترك‌ياب ماوراء صوت

قسمت محفظه باطري توپك, برق دستگاه را جهت عمليات فراهم ميكند.
قسمت ثبت اطلاعات جهت ذخيره فشرده اطلاعات دريافتي است. دستگاه حاوي ۱۲ واحد اطلاعات ۲ گيگابايتي است كه جهت بازرسي و ذخيره اطلاعات ۱۰۰ كيلومتر كفايت ميكند. دستگاه ماوراء صوت حاوي ۱۶ واحد ماوراء صوت مجزا است. هر كدام از اين واحدها ۳۲ واحد كانال فرستنده/گيرنده قابل برنامه‌ريزي دارند كه از روش ALOK استفاده مينمايند و ظرفيت آنها ۸۰ dBاست. (روش فوق براي ساليان متمادي است كه در بازرسي ماوراء صوتي در نيروگاه‌هاي برق استفاده ميشود).
واحدهاي ماوراء صوت متصل به سيستم‌هاي مخصوص كاهش‌دهنده اطلاعات هستند تا آن دسته از اطلاعات مفيد كه موجب شناسايي عيوب شبه تركي با منشأ طولي ميشوند را جداسازي و تفكيك كنند. بعد از جداسازي اطلاعات، روش‌هاي تراكم به كار ميرود و اطلاعات باقيمانده در يك دستگاه ضبط‌كننده ۱۲ DAT كه در محل موجود است ذخيره‌سازي ميشود. براي جلوگيري از خطر هدر رفتن اطلاعات به دليل پيچيدگي مكانيكي دستگاههاي ضبط آن، دستگاه‌هاي ضبط كننده در يك محفظه ضد ضربه قرار گرفته‌اند.
حمل‌كننده حسگرهاي دستگاه تركياب ماوراء صوت به گونهاي طراحي شده است كه محيط كامل لوله به صورت يكنواخت عكسبرداري ميشود.
حسگرهاي ليزري و مافوق صوتي شامل دو سري اوليه و ثانويه هستند. حسگرهاي اوليه آنچه طي شده را تشريح ميكنند. هركدام از اين حسگرها يك واحد پردازشگر ديوار به ديوار دارد كه شامل DSP اختصاصي است. هر كدام از DSPها وظيفه ديجيتال كردن و پردازش و ذخيره در واحدهاي حافظه غير فرار را بر عهده دارند. هر واحد پردازشگر ظرفيت ذخيره اطلاعات تا ۵۳۰۰ فوت و يا ۱۶۱۶ متر را دارد. واحد اضافه، موقعيت محوري را ذخيره ميكند. اين عمل از طريق دو انكودر مستقل صورت ميگيرد. انكودرها چرخ‌هايي دارند كه ديواره داخلي خط لوله را طي كرده و اطلاعات را ذخيره ميكند.

شکل۴:  ترتيب قرار گرفتن حسگرها

قابليت تكرار

براي آزمايش قابل تكرار بودن دستگاه، يك خط لوله نفت به قطر ۶۶/۰۴ سانتيمتر دو بار بازرسي گرديد. تعداد ۸۰ نقطه شبه شكاف با در نظر گرفتن طول، دامنه و وضعيت محيطي آنها با يكديگر مقايسه شدند، نقاط انتخابي اختياري داراي عمق پايينتر از ۱ميليمتر بودند كه توسط خاك‌برداري نيز مشخص شدند. به احتمال زياد اين نقاط شيارهاي مكانيكي و خراش بودند. در هر دو بازرسي موارد فوق به طور يكسان مشاهده گرديد و قابل تكرار بودن بازرسي فوق با در نظر گرفتن پارامترهاي مربوطه بسيار خوب بود.

شکل۵:  مقايسه نمودارهاي C–Scanدو بازرسي مختلف

شكل ۵ مقايسه نمودارهاي C–Scan يك اتصال لوله است كه در دو بازرسي ثبت شده. (خط لوله نفت خام به قطر ۶۶/۰۴سانتيمتر) قسمت پايين نمودار C–Scan نمايانگر نتايج ضبط كننده‌هاي ضخامت ديواره لوله است كه محل جوشهاي محيطي را نيز مشخص نموده است. در نمودار C–Scan جوش‌هاي طولي و نيز اثر دو ناخالصي انعكاس يافته بطور دقيق و مؤثري با يكديگر منطبق هستند.

تفكيك عيوب

بسياري از اطلاعات به دست آمده از عمليات خطوط لوله علامت وجود نقاطي مانند شكاف است. اكثر آنها از شيارها يا خراشهايي به وجود مي‌آيد كه معمولاً در حين ساخت و يا حمل لوله‌ها حاصل ميشود. عمق اين نوع نقص‌ها معمولاً كمتر از ۱ ميليمتر است ولي چون آنها به صورت مركز تنش عمل ميكنند بايد همواره به عنوان آغاز پيدايش ترك بررسي شوند.
شكل ۴۴ نمودار C–Scan يك اتصال لوله را نشان ميدهد كه حاوي سه تجمع SCC در حوالي جوش طولي است. در تصوير C–Scan داده‌هاي ماوراء صوت كليه حسگرهاي ثبت‌كننده بر روي سطح لوله متمركز هستند.

شکل۶:  نمايش سه تجمع SCC در نزديكي محل جوش طولي

از نمودار C–SCAN اندازه و محل تجمع به سادگي قابل رؤيت است. اطلاعات جامع‌تري از نمودار B–SCAN به دست آمده كه نشان‌دهنده ترك‌هايي است كه توسط تكتك حسگرهاي ثبتكننده جمعآوري شده است.در نمودار بررسي وضعيت B ، هر ترك به تنهايي قابل تجربه بوده و طول و فاصله آنها تا ترك بعدي قابل تخمين است. در اكثر تجمع‌هاي ، SCC طول تركها زير ۳۰ ميليمتر است. دستهبندي تجمع ترك بستگي به ترك‌هاي مخصوصي دارد كه داراي اندازه بزرگتر و دامنه بيشتري باشند. به خاطر اينكه بتوان تجمع ترك‌ها را با دقت بيشتري دسته‌بندي نمود تجزيه آماري از اثرات ترك در تجمع ترك صورت ميگيرد.

شکل۷:  نمودار B-Scan

محاسبات اطلاعات جمع‌آوري شده (OFF–LINE)

نهايت انجام كارها بررسي اطلاعات جمعآوري شده براي مشخص كردن و درجه‌بندي ترك شناسايي شده است. فرآيند بررسي اين نكات در حال حاضر به صورت نيمه اتوماتيك با مراحل ذيل است:

• خواندن و دست چين كردن اطلاعات
• شناسايي نشانه‌هاي شبه ترك‌ها
• درجه‌بندي نشانه هاي شبه ترك‌ها

در مرحله اول تمامي اطلاعات غيرضروري از جمع كل اطلاعات جمع‌آوري شده (ON-LINE) خارج ميگردد.

موقع آماده كردن اطلاعات (DATA) سيستم به طور اتوماتيك با به كار بردن ضابطه‌هاي مناسب مرحله دست چين كردن اطلاعات را انجام ميدهد. براي مثال كليه نشانه‌هايي كه توسط دو عدد حسگر مشخص نشده است غير مربوط تشخيص داده شده و مردود است. ساير نشانه‌ها با توجه به شكل لوله, مطالعه و ترسيم سطوحي كه دو يا چند بار به دليل هم پوشاني تحت پوشش گرفته‌اند مشخص ميگردد. براي اين سطوح نشانه‌هايي از قبيل طول, عرض, فاكتور همپوشاني و نسبت سيگنال به نويز كه به حداكثر دامنه و تعداد حسگرهايي كه در جمع‌آوري اطلاعات شركت داشته‌اند مربوط هستند را جمع‌آوري و در مركز جمع‌آوري اطلاعات نگهداري ميشود.
در مرحله دوم اطلاعات جمع‌آوري شده در مرحله اول طبقه‌بندي ميشود. بر حسب مشخصات خواسته شده از وضعيت لوله، بررسي اطلاعات در هر ناحيه از لوله آغاز ميشود. بر حسب تجربه‌هاي موجود طبقه‌بندي سطوح پوشش داده شده توسط اين دستگاه به شرح ذيل است :

• غير مربوط (هيچگونه انعكاس عادي دريافت نشده است).
• مربوط به شكل هندسي لوله(علائم دريافتي به دليل شكل جوش ، نوع نصب و غيره است).
• مربوط به شكاف (علائم دريافتي به دليل وجود غري و شيار و غيره است).
• غير مشخص (علائم دريافتي شناخته شده نيستند).

خوشبختانه هر يك از اين علائم, مشخصه وضعيتي هستند و با در نظر گرفتن مجموعه اين علائم به همراه B-Scan توسط حسگرهاي كناري و همچنين اطلاعات دريافتي از چپ و راست امكان اين طبقه‌بندي به خوبي مقدور است.
دستگاه براي تشخيص ترك‌هاي طولي جهت يافته يا هر گونه تركي كه در بدنه لوله ايجاد ميشود كاربرد دارد. نكته مهم مربوط به تشخيص ناحيه جوش طولي روي خط لوله توسط دو حسگر است كه كليه اطلاعات به دست آمده از آن ذخيره ميشود. دستگاه وضوح محوري را به طور كامل انجام ميدهد. در مرحله سوم كليه علائم مربوط به هرگونه ترك شناخته شده و ضمناً از لحاظ شدت و ضعف و همچنين موقعيت(جنس فلز، مناطق گرما ديده در موقع جوشكاري، روي خود جوشكاري ، داخلي يا خارجي) طبقه‌بندي ميشود.

شدت و ضعف هر گونه ترك كاملاً بستگي به عمق و طول آن دارد. طول آن مستقيماً از روي علائم ماوراء صوت با دقت كافي استخراج ميشود حال آنكه عمق آن معمولاً توسط علائم ماوراء صوت عملي نيست واً تحت بعضي شرايط يك تخمين كلي نياز است. به هر حال وضعيت ترك معمولاً نسبت به جداره لوله و محل جوشكاري توسط ماوراء صوت B-Scan قابل محاسبه است.
بعد از پايان هر بازرسي، اطلاعات جمعآوري شده توسط افراد متخصص بررسي شده تا از توجه به اطلاعات زائدي كه در تجزيه و تحليل مؤثر نيست جلوگيري به عمل آيد. سپس تجزيه و تحليل اطلاعات به دست آمده توسط رايانه‌هاي پيشرفته انجام ميگيرد. بعد از پايان تجزيه و تحليل, داده‌هايي كه حاوي كليه شاخص‌هاي مربوطه هستند به صورت فشرده گردآوري ميشوند. برخي از اطلاعات به دست آمده به صورت مدارك مستدل تهيه و به همراه تصاوير رنگي نتايج B,C-Scan با اطلاعات دقيق از محل‌هاي عيوب گزارش ميشود. گزارش نهايي شامل يك فهرست از نقص‌ها با مدارك مستدل و اطلاعات جامع طول خط به همراه گزارش كاملي از اتصالات خط لوله است ( ساخت- ضخامت ديواره- طول لوله- محل جوش طولي و…) مرحله دوم و سوم در حال حاضر توسط افراد خبره با بهره‌گيري از اطلاعات و همچنين نرمافزارهاي موجود انجام ميشود. هدف آن است كه در آينده اين روند تا حد ممكن به صورت اتوماتيك صورت گيرد.