Компенсация влияния человеческого фактора, решение вопросов организации контроля качества выполнения работ на распределенных по большой территории объектах в настоящее время возможны при помощи цифровых технологий сварки и НК сварных соединений, позволяющих существенно повысить качество последних, производительность сварочно-монтажных работ и достоверность НК. Основным способом снижения влияния опасных факторов является переход от автоматизированных систем НК к системам с полностью автоматическим циклом выполнения работ, т. е. к системам автоматического неразрушающего контроля (АНК).
Программа развития сварочного производства ПАО «Газпром» на период 2024–2026 гг., утвержденная заместителем Председателя Правления ПАО «Газпром» О.Е. Аксютиным [1], среди основных задач содержит реализацию мероприятий по цифровой трансформации в области сварки и НК сварных соединений.
Ключевые принципы концепции современной системы АНК сварных соединений в направлении цифровой трансформации следующие:
- минимальные (нулевые) требования к квалификации оператора;
- полностью прослеживаемый на всех этапах документированный технологический процесс НК в цифровой форме;
- максимальная автоматизация технологических операций НК;
- обеспечение производительности контроля на уровне лучших показателей автоматических сварочных комплексов, снижение трудозатрат на настроечные и поверочные процедуры;
- формирование исполнительной документации в цифровой форме и ее использование на протяжении всего жизненного цикла объекта магистрального транспорта газа;
- высокие требования к достоверности и точности результатов контроля;
- формирование единого заключения о качестве объекта по результатам применения различных методов НК;
- применение электронной цифровой подписи исполнительной документации для подтверждения подлинности результатов выполнения работ и результатов контроля.
Успехи в области технологий искусственного интеллекта (ИИ) в различных отраслях промышленности, включая медицинскую диагностику, позволяют распространить готовые технические решения на автоматическую расшифровку результатов НК. Однако для успешного применения технологии ИИ необходимо проводить систематическую работу по созданию исчерпывающих и пополняемых наборов размеченных данных в области как ультразвукового контроля, так и цифровой радиографии (ЦР). Развитие ультразвукового контроля в настоящее время идет по пути использования и совершенствования технологий фазированных антенных решеток, цифровой фокусировки антенн, дифракционно-временного метода, контроля с зональным разбиением. Они позволяют автоматизировать процесс сканирования, получать данные контроля в виде, пригодном для оценки размеров выявленных дефектов. В настоящее время подавляющая часть работы по расшифровке данных ультразвукового контроля выполняется вручную квалифицированным оператором. Все особенности технологического процесса он берет на себя, т. е. полностью управляет всеми этапами технологического процесса и, соответственно, может влиять на получаемый результат. Зачастую современные системы НК разрабатываются исходя из принципа универсальности.
Все упомянутые технологии имеют полностью открытый интерфейс, предлагая дефектоскописту самостоятельно «сформировать технологию». В крайнем случае имеются отдельные шаблоны для облегчения настроек оборудования. Такой подход требует от дефектоскописта доскональных знаний как теоретических основ технологии, так и ее конкретной аппаратной реализации.
Современные возможности электроники и программирования позволяют по-новому подойти к решению задачи НК. Система АНК изначально должна проектироваться исходя из отсутствия требования о наличии квалифицированного дефектоскописта на месте выполнения работ. Функцию контроля необходимо полностью перенести на аппаратную и программную часть системы АНК. Иными словами, настройка оборудования, сканирование, обработка результатов, формирование заключения должны выполняться автоматически. В подтверждение реализуемости такого подхода можно отметить следующее:
- объект контроля (кольцевое сварное соединение) представляет собой типовой узел трубопровода и с точки зрения НК при отсутствии отклонений от технологии сварки достаточно прост;
- основные принципы и методики контроля хорошо отработаны;
- цифровые технологии, включая вычислительные системы, программы обработки данных, сетевые решения, технически проработаны и имеют приемлемую стоимость и доступность;
- общий уровень цифровизации позволяет органично вписать предлагаемую концепцию в производственный процесс.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К АППАРАТНОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ И ФУНКЦИЯМ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Важное требование к системе АНК – ее мультимодальность. Это означает, что применяемые технологии ЦР, автоматизированного ультразвукового (АУЗК) и визуально-измерительного (АВИК) контроля должны быть интегрированы в единый технологический комплекс. Каждый метод контроля дает характерную для него информацию, которая обрабатывается совместно. На пример, данные о смещении кромок, полученные модулем АВИК, должны приниматься во внимание при анализе результатов АУЗК с возможной корректировкой (перерасчетом) формирования образов дефектов, а размеры этого смещения должны влиять на размеры допустимых дефектов сварного соединения. Информация о наличии подрезов также может быть использована для дополнительной корректировки норм оценки. Таким образом, динамически меняющаяся ситуация, связанная с теми или иными дефектами сварного соединения, требует формирования особого алгоритма оценки его работоспособности.При этом должно быть минимизировано количество составных частей системы НК, облегчена установка сканера на трубу и упрощена его юстировка по отношению к сварному соединению. Вполне рациональной представляется предварительная разметка, выполняемая на торце трубы до сварки с автоматическим отслеживанием этой разметки в процессе сканирования.
В целом общие требования к системе АНК можно сформулировать следующим образом:
- вероятность выявления недопустимых дефектов должна составлять 95 % в 95%-м доверительном интервале;
- при проведении АУЗК точность определения высоты дефекта должна в общем случае составлять ±1 мм, а глубины залегания ±1,5 мм;
- акустические блоки и блоки детекторов ЦР должны быть максимально унифицированы для всего диапазона типоразмеров сварных соединений;
- модули в составе системы АНК должны иметь климатическое исполнение в диапазоне от –40 до +50 °C и быть герметичными (не хуже IP67);
- экономичная система подачи контактной жидкости при АУЗК должна обеспечивать ее минимальный расход и иметь обратную связь с программным обеспечением, контролирующим качество акустического контакта;
- применяемые настроечные образцы при АУЗК и АВИК должны быть максимально унифицированы и упрощены по своей конструкции, но при этом обеспечивать требуемую высокую точность и прослеживаемость параметров НК;
- обеспечение оценки качества сварных соединений для АУЗК проводится по расчетным размерным критериям, а определение эквивалентной площади и типа дефекта выполняется факультативно;
- расшифровка результатов должна выполняться автоматически, в том числе с использованием технологии ИИ;
- среднее время всего цикла контроля одного сварного соединения типоразмером 1420 × 22 мм должно составлять не более 15 мин, включая калибровку, установку сканера, проведение контроля, обработку данных контроля, снятие сканера, формирование заключения.
- обеспечение беспроводного управления. Предпочтительная конфигурация – размещение дефектоскопического электронного блока на сканирующем устройстве при обеспечении управления всей системой АНК с защищенного планшетного компьютера;
- применение термореле для включения подогрева или охлаждения в целях обеспечения широкого диапазона климатических условий. Необходимо учитывать, что система нагрева/охлаждения должна быть малопотребляющей при использовании аккумуляторного питания;
- использование вандалозащищенных многоконтактных разъемов при подключении фазированных решеток и иных датчиков сбора информации;
- применение встроенных чипов для распознавания подключенных элементов системы и автоматического формирования состава оборудования в программном обеспечении.
ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДИЧЕСКОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ
В развитие предлагаемой концепции АНК можно также сформулировать требование к методике контроля. Основная ее особенность состоит в возможности реализации через функции программного обеспечения системы АНК и автоматическом формировании электронной операционной технологической карты НК. В привычном смысле методики НК как документа, которым руководствуется оператор, быть не должно. Она существует внутри системы, а то, что остается, – это простой алгоритм работы для человека под управлением команд системы АНК. За оператором закрепляется только та часть работы, которая сегодня не может быть автоматизирована по экономическим соображениям: установка системы на трубу, перенос на следующий стык, простой вид обслуживания в виде зарядки аккумуляторов, пополнения технологических жидкостей и т. п.ТРЕБОВАНИЯ К ПРОГРАММНОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ
Все этапы работы системы АНК должны быть автоматизированы и построены в виде диалоговых сценариев, проводящих оператора через все обязательные этапы с фиксацией результатов и действий каждого этапа в цифровой протокол, доступный для последующей проверки, в том числе автоматической (здесь имеется в виду система автоматического строительного контроля). Диалоговый сценарий должен направлять оператора, исключать его ошибки, требовать выполнения обязательных операций и не пропускать на следующий этап при недостижении заданных показателей качества выполнения работ.Должны быть реализованы функции идентификации и аутентификации, управления доступом, а также регистрации пользователей. Приоритет необходимо отдать технологиям с биометрической аутентификацией пользователей. Должна быть создана возможность сохранения специфических настроек и баз данных в резервных копиях. Требуется обеспечить автоматическую запись результатов контроля, включая все его параметры (в том числе время и дату), координаты (определенные с помощью спутников системы ГЛОНАСС), атрибуты оператора и все совершенные им действия.
Автоматизация настройки параметров системы автоматического неразрушающего контроля
Настройка параметров системы АНК должна выполняться в автоматическом режиме с использованием введенных оператором данных о параметрах объекта контроля и результатов настройки на калибровочном блоке.
Автоматизация подготовки к сканированию и самого сканирования
Необходимо проводить постоянную самодиагностику всех аспектов работы системы АНК: электроники, акустоконтактов, данных АВИК, работы двигателей, работоспособности датчика пути, качества данных, повышенного уровня шумов в каналах из-за возможного повреждения кабелей и наличия внешнего источника помех, например сварки, и пр.Должен обеспечиваться автоматический выезд в начало координат на сварном соединении по магнитной или оптической метке, показаниям инклинометра. Скорость сканирования следует подстраивать под требуемое качество данных для обеспечения полноты собранных результатов НК. Слежение за акустическим контактом при ультразвуковом контроле должно проводиться автоматически в процессе обследования с выдачей оператору рекомендаций по восстановлению акустического контакта, например, «не поступает контактная жидкость», «локально отсутствует акустоконтакт».
Слежение за наличием сигналов от корня шва / наружного валика усиления необходимо автоматизировать для всех режимов контроля. Проверка качества данных (отсутствие пропусков, корректность позиционирования, полнота охвата по окружности трубопровода) должна проводиться автоматически, в случае недостаточного качества следует осуществить повторный контроль с автоматической корректировкой его параметров и внесением в протокол всех изменений.
Автоматизация управления системой автоматического неразрушающего контроля
При проведении АНК целесообразно использовать технологию голосового помощника для управления всеми этапами контроля. Это особенно важно при работе в суровых климатических условиях, когда доступ к каким-либо устройствам с экраном и тактильным управлением может быть затруднен. Голосовой помощник должен не только выполнять команды оператора, но и информировать о ходе работы и направлять его действия. В архитектуру программного обеспечения системы АНК необходимо заложить возможность расширения области применения на иные типоразмеры трубопроводов, технологии сварки и пр., реализуемые в виде редактируемых сценариев автоматизации настройки параметров контроля и проведения расшифровки его результатов.Автоматизация расшифровки данных автоматизированного визуально-измерительного контроля
При автоматической расшифровке данных АВИК должны определяться [2]:- параметры геометрии сварного соединения, включая значения смещения кромок;
- наличие дефектов, выходящих на наружную поверхность трубопровода;
- наличие препятствий для проведения АУЗК (брызги металла, грат).
Дополнительно требуется фиксировать уникальный цифровой отпечаток сварного шва для его последующей идентификации, например при повторном контроле или при выполнении ремонта.
Автоматизация расшифровки данных цифровой радиографии
При автоматической расшифровке снимков ЦР должны проверяться их качество, отношение сигнал/шум, наличие и параметры эталонов качества изображений, наличие и размеры дефектов с их группировкой и схематизацией согласно требованиям нормативной документации, определяться разрешение, полнота охвата зоны контроля, выявления сварного шва и околошовной зоны. Желательно при расшифровке снимков ЦР измерять или оценивать высоту выявленных дефектов.Как и для АВИК, по данным ЦР должен фиксироваться уникальный отпечаток сварного шва по сигналам от валика усиления.
Автоматизация обработки и расшифровки данных автоматизированного ультразвукового контроля
При обработке данных АУЗК должны автоматически выполняться:- проверка качества собранных данных по заданным критериям (отсутствие пропусков и электрических помех, качество акустического контакта, соответствие параметров изображений требованиям методики контроля);
- необходимая математическая обработка для визуализации, фильтрации данных;
- предварительная сегментация изображений;
- выявление дефектов, в том числе на фоне изображений геометрии (внутренний и наружный валики);
- определение размеров и местоположения дефектов;
- определение типа дефектов. Чтобы получить исходные данные для автоматической расшифровки результатов АУЗК, требуются:
- алгоритм построения линий обратного валика и наружного валика по АУЗК / совмещения АВИК и АУЗК для наружного валика – в целях отделения сигналов геометрии от дефекта;
- алгоритм определения внутреннего смещения кромок по совокупности данных АУЗК и АВИК;
- алгоритм обнаружения отклонений геометрии шва с параметрами, не соответствующими технологической карте сварки, с выдачей предупреждения;
- вычисление фактической толщины трубы и ее вариации в зависимости от координаты;
- разметка положения продольных швов на трубах.
Интеграция с цифровой инфраструктурой ПАО «Газпром»
Должна быть обеспечена совместимость в рамках цифровой инфраструктуры НК ПАО «Газпром», а именно:- результаты контроля должны быть представлены в максимально простом и защищенном формате;
- необходимо обеспечить удобство представления данных для последующего сравнения с результатами внутритрубного технического диагностирования.
Хранение первичных данных контроля не требуется, так как подтверждены все технологические операции и расшифровка выполнена автоматически. Все это верифицировано автоматической программой проверки результатов службы строительного контроля. Далее требуется только хранение размеров допустимых дефектов в защищенном от изменений формате.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для систем АНК с полностью автоматическим циклом выдачи заключений, кроме типовых процедур аттестации, потребуется разработка новых методических подходов, включая методики оценки выявляемости дефектов с помощью ИИ.В статье описана концепция современной системы АНК, отвечающей вызовам индустриальной революции 4.0 и требованиям к цифровой трансформации сварочного производства и НК.
Разработчикам средств и методик НК рекомендуется принимать во внимание изложенные требования к системам АНК.
ЛИТЕРАТУРА
- Программа развития сварочного производства ПАО «Газпром» на период 2024–2026 гг. // ПАО «Газпром»: офиц. сайт. URL: https://www.gazprom.ru/ (дата обращения: 17.01.2025). Режим доступа: по особым условиям в локальной сети владельца.
- СТО Газпром 1.5-1.3-004–2023. Неразрушающие методы контроля качества сварных соединений промысловых и магистральных трубопроводов // ПАО «Газпром»: офиц. сайт. URL: https://www.gazprom.ru/ (дата обращения: 17.01.2025). Режим доступа: по особым условиям в локальной сети владельца.
УДК 620.179.1:621.791:622.692.4 С.В. Скрынников, ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, Россия)
Опубликовано в журнале «газовая промышленность» № 1 ( 876 ) 2025 г.