Misura di difetti nelle saldature delle tubazioni: fino a dove è possibile arrivare in concreto?

Procedimenti della conferenza ASME PVP:
Inserire nome della conferenza
Luglio 2004, San Diego, California
PVP2004-2811

Sintesi

Le tubazioni si avvalgono adesso dell'Idoneità al servizio (Fitness For Service - FFS) con i risultati Accettazione/Rifiuto per i difetti di saldature. L'Idoneità al servizio richiede delle misure precise dell'altezza dei difetti per le valutazione della meccanica della frattura. La tecnica standard di ispezione delle saldature di tubazioni non permette di effettuare queste misure. Tuttavia, teoricamente, le più recenti tecniche a ultrasuoni possono misurare l'altezza dei difetti. Inizialmente i metodi basati sull'ampiezza degli ultrasuoni sono stati usati per le misure dell'altezza tuttavia si sono dimostrati inaffidabili. Adesso vengono utilizzati congiuntamente i metodi basati sulla diffrazione, in particolare la diffrazione del tempo di volo (Time-Of-Flight- Diffraction - TOFD). Questo articolo tratta studi precedenti, principalmente studi approfonditi sul metodo nucleare come il PISC II, e studi pubblicati sulla misura delle tubazioni. Mediante il metodo della diffrazione la migliore precisione di misura nucleare è nell'ordine di alcuni millimetri. In contrapposizione al metodo nucleare i sistemi di ispezione AUT di tubazioni utilizzano la discriminazione di aree, trasduttori focalizzati, materiali di spessore inferiore e tecniche di analisi più semplici. Le precisioni correnti sono nell'ordine di + 1 mm (terminologia indefinita) che si correlano con a dimensione puntuale de fascio e il passo tipico della saldatura. Esigenze di precisione di + 0,3 mm non sono probabilmente raggiungibili, tuttavia future attività di R&D dovrebbero migliorare significativamente i metodi di misura delle tubazioni.

Introduzione

Nelle saldature si possono verificare dei difetti anche se vengono applicate delle procedure molto rigorose. In pratica non è proficuo rimuovere tutti i difetti durante la riparazione, pertanto, per determinare quali difetti dovrebbero essere rimossi e quali no, devono essere usati alcuni criteri di accettazione. Questo aspetto ha assunto una maggiore importanza con la diffusione degli acciai a alta resistenza dove le operazioni di levigatura e risaldatura, in genere, alterano considerevolmente la microstruttura controllata. Pertanto le riparazioni possono risultare più dannose rispetto a lasciare intero il difetto.

Negli ultimi decenni si è passati dall'applicazione dei criteri di "Fabbricazione ottimale" ("Workmanship"), dove i difetti venivano accettati o rifiutati principalmente sulla capacità di rilevamento del sistema di ispezione, all'applicazione dei criteri "d'Idoneità al servizio" (Fitness For Service - FFS), basati sulla meccanica della frattura (denominata anche Engineering Critical Assessment o ECA). L'Idoneità al servizio utilizza le informazioni relative alla resistenza del materiale, lo sviluppo delle cricche e il ciclo operativo della componente per stimare la vita utile e, pertanto, la dimensione iniziale accettabile del difetto. Un approccio di precauzione viene applicato ai calcoli attribuendo dei margini di errore agli input: resistenza, tasso di sviluppo e misure dei difetti. In genere i criteri per l'Idoneità al servizio permettono di rilevare difetti di dimensioni molto maggiori rispetto ai criteri di Fabbricazione ottimale. Questo permette una riduzione dei tassi di rifiuto e dei costi. Tuttavia per l'Idoneità al servizio è essenziale misurare in modo preciso e affidabile il parametro principale del difetto: l'altezza del difetto.

Negli anni 1980 l'industria nucleare era l'industria principale per la ricerca nell'ambito delle misure di difetti. L'Idoneità al servizio è stata applicata in questa industria. Dall'introduzione dei sistemi automatizzati a ultrasuoni nell'industria delle tubazioni gasiere [1], questi sistemi sono diventati il metodo di ispezione preferenziale per l'Idoneità al servizio. L'utilizzo dei sistemi automatizzati a ultrasuoni e dell'Idoneità al servizio ha ridotto significativamente i tassi di rifiuto,sebbene questo sia parzialmente dovuto ala capacità dei sistemi automatizzati a ultrasuoni di eseguire il controllo del processo.

Per alcuni decenni, la principale tecnica di ispezione delle saldature è stata la tecnica radiografica, basata sui criteri di Fabbricazione ottimale. Oltre agli evidenti rischi per la sicurezza, uno dei principali aspetti negativi della tecnica radiografica riguarda l'incapacità di misurare l'altezza dei difetti, eliminando pertanto l'opzione di applicazione dell'Idoneità al servizio. Durante l'ultimo ventennio, gli ultrasuoni si sono diffusi maggiormente, offrendo la possibilità di misurare l'altezza dei difetti, tuttavia, all'atto pratico, risulta di difficile misurazione e non è esente da errori. Esistono due approcci principali: basato sull'ampiezza e basato sula diffrazione. Questi due approcci vengono trattati di seguito.

Ampiezza in confronto alla diffrazione

Tecniche relative all'ampiezza
I primi approcci di misura di difetti erano basati sull'ampiezza del segnale di ritorno e, sulla correlazione con un riflettore equivalente ottenuto a macchina come un intaglio o un SDH (foro laterale). Tuttavia la correlazione tra dimensione de difetto e ampiezza era scarsa [2]; questo non è sorprendente visto il numero di variabili relative al materiale, all'apparecchiatura e al difetto stesso. Il materiale ha una velocità potenziale e delle variazioni microstrutturali, specialmente gli acciai; l'apparecchiatura ha delle potenziai variazioni dell'ampiezza a causa del tipo di pulsatore, della banda di frequenza, del cablaggio e di altri parametri elettrici relativi.

Pertanto la variabile principale è rappresentata dal difetto stesso. Gli ultrasuoni sono altamente sensibili all'orientazione dei difetti ma anche fattori come trasparenza, irregolarità, curvatura e posizione. Gli ultrasuoni sono particolarmente inaffidabili per i difetti verticali, sebbene sembra che i criteri di ampiezza migliorino utilizzando degli angoli di ispezione ottimali [3]. La tecnica tedesca DGS confronta l'ampiezza dei difetti con quella proveniente da un riflettore noto [4]; il risultato del difetto è "di dimensioni non inferiori a un riflettore ottenuto a macchina", il quale non è utile per l'Idoneità al servizio. Nel complesso, le tecniche di misura basate sull'ampiezza in genere non sono affidabili per gli standard richiesti dall'Idoneità al servizio.

Visto che la maggioranza dei difetti sono ancora misurati in base alle tecniche basate sull'ampiezza, che si tratti di 6 dB, 10 dB o 20 dB [5], è proficuo riportare alcune osservazioni di esperti del settore. Innanzitutto, "la misura di qualunque difetto di dimensioni inferiori al fascio tende ad essere approssimata all'ampiezza del fascio". Questo si verifica in quanto difetti di ridotte dimensioni tendono ad essere trasmettitori omni-direzionali, pertanto difetti di ridotte dimensioni tendono a produrre emissioni in qualunque direzione nel fascio. Tuttavia, difetti di ridotte dimensioni non risultano strutturalmente importanti nella maggioranza dei casi, pertanto i dati di fondo per la misura di piccoli difetti sono limitati [6]. In secondo luogo, "difetti di ridotte dimensioni tendono ad essere sovradimensionati mentre difetti di ampie dimensioni tendono ad essere sottodimensionati" [7]. Il sovradimensionamento di difetti di ridotte dimensioni è facilmente spiegabile attraverso l'emissione omni-direzionale e la diffusione dei fasci. Mentre il sottodimensionamento dei difetti di ampie dimensioni è più complesso. Questa situazione, per esempio, può facilmente verificarsi se il difetto è curvato, pertanto un fascio di un trasduttore a angolo fisso oltrepasserà i bordi, riducendo la misura delle dimensioni e dell'ampiezza. Il sottodimensionamento di difetti di ampie dimensioni rappresenta potenzialmente una problematica importante per l'integrità strutturale.

Approcci relativi alla diffrazione
Negli ultimi anni 1970, Silk a Harwell [8] ha sviluppato una tecnica di misura e rilevamento denominata Diffrazione del tempo di volo (TOFD). Questa tecnica usava le onde rifratte a bassa ampiezza provenienti dalle estremità dei difetti per misurare i difetti. Si è dimostrata significativamente più precisa rispetto ai criteri basati sull'ampiezza. Il principio di base della TOFD è illustrato nella Figura 1.
Il fenomeno della diffrazione è abbastanza comune nell'ambito degli ultrasuoni. Sono state sviluppate diverse alternative alle tecniche di diffrazione con relativi vantaggi e svantaggi. La tecnica TOFD standard utilizza un pulsatore e un ricevitore separati su ogni lato della saldatura o della componente, oltre alla posizione acquisita con encoder e alla registrazione dei dati del computer. La TOFD ha diverse aree morte in corrispondenza del diametro esterno e del diametro interno, inoltre è soggetta a delle problematiche di interpretazione. La TOFD presenta dei limiti per la misura dei difetti di minore dimensioni in genere a causa del riverbero del fascio (in genere 3 mm per le tubazioni). Tuttavia i risultati di misura della TOFD sono stati impressionanti. La Figura 2 mostra un confronto tra la misura basata sull'ampiezza e la TOFD in una ricerca di rilevamento di difetti realizzato in Gran Bretagna [9].


Figura 1: Principi della TOFD





Figura 2: Ampiezza in confronto alla diffrazione della piastra del DDT1 (in alto: tutte le tecniche di misura, in basso: solo la TOFD).
Sono stati sviluppati diversi approcci alternativi alla diffrazione, inclusi la diffrazione di fondo e i trasduttori a modalità combinata. Inoltre sono state provate altre tecniche basate sull'ampiezza e i segnali: analisi della frequenza [10], riconoscimento dello schema, HOLOSAFT [11]. In generale nessuna di quest'ultime tecniche ha avuto un riscontro commerciale, tuttavia la diffrazione di fondo è usata frequentemente.
La diffrazione di fondo utilizza un singolo trasduttore per l'emissione e il rilevamento dei segnali diffratti. Questo semplifica considerevolmente il sistema e permette un'operatività manuale. Tuttavia la fisica della diffrazione di fondo è meno potente rispetto alla diffrazione diretta e l'identificazione dei segnali delle estremità diffratte può risultare difficile. Tuttavia la diffrazione di fondo assicura una precisione simile alla TOFD [12] e presenta dei vantaggi per la misura di difetti di ridotte dimensioni (fino a 0,5 mm nelle tubazioni) con aree morte più piccole [13]. L'approccio di base è illustrato nella Figura 3.

Figura 3: Diffrazione di fondo per la misura di difetti.

Studi sulla misura nucleare
Mentre numerose industrie erano interessate alle funzionalità di misura dei difetti [14], l'industria nucleare eseguiva degli studi approfonditi per definire le funzionalità di misura e rilevamento dei difetti. I due principali round robin erano PISC II e DDT. In modo particolare, la ricerca del PISC II era globale, con circa 50 gruppi che ispezionavano quattro componenti con approssimativamente 200 difetti [7]. L'entità e lo scopo di questo studio ha permesso di ottenere delle ottimali analisi statistiche dei risultati, della precisione di misura e dell'analisi dei difetti. Senza stupore il difetto più difficile da individuare è stata una cricca di ridotte dimensioni. Tuttavia la misura ha presentato alcune innovazioni visto che sono state provate diverse nuove tecniche. Il PISC II è stata la prima ricerca per TOFD e i risultati sono stati incoraggianti [15]. La precisione media della misura per il gruppo UKAEA Risley è stato di alcuni millimetri su piastre di centinaia di mm di spessore (es. ~ 1%).

Esistono delle differenze significative tra gli studi nucleari e i correnti studi di misura delle tubazioni:
• Primo, la ricerca del PISC II è stata molto estesa, permettendo degli studi parametrici sostanziali.
• Secondo, i recipienti in pressione nucleari sono più spessi rispetto alle tubazioni, tuttavia non è possibile aumentare la frequenza ultrasonora nelle tubazioni a causa dell'attenuazione nell'acciaio.
• Terzo, l'industria nucleare utilizza il TOFD raster e la Focalizzazione dell'apertura sintetica (Synthetic Aperture Focusing - SAFT), la quale aumenta leggermente la precisione del TOFD lineare nell'industria petrolchimica.
• Quarto, è stata introdotta una nuova tecnologia, incluso un miglioramento della gestione dei dati, del trattamento e della visualizzazione del phased array. Sebbene il phased array non altera la fisica, permette di effettuare ispezioni ottimizzate e multi-angolo.
• Quinto, le tubazioni utilizzano sistematicamente trasduttori altamente focalizzati, riducendo la dimensione dei fasci, migliorando il rapporto segnale-rumore e minimizzando le riflessioni geometriche parassite.
• Sesto, i difetti delle tubazioni (d) sono in genere della stessa altezza della lunghezza d'onda degli ultrasuoni (λ), complicando l'analisi teorica.
• Settimo, il PISC utilizza delle superfici allineate alla base, mentre le tubazioni hanno in genere dei riflettori geometrici della radice e del cordone.
• Ultimo, la qualità richiesta (es. consumo di tempo e risorse finanziarie) è in genere significativamente maggiore per il nucleare rispetto alle tubazioni. I collettori verticali e i tubi stabilizzanti degli impianti offshore possono rappresentare un'eccezione.
Tuttavia le conclusioni generali per gli studi nucleari si applicano alle tubazioni. Il rilevamento e la misura impulso-eco ha dei limiti; La TOFD è ottimale per la misura e il rilevamento nella maggior parte delle situazioni, tuttavia idealmente dovrebbero essere usate le tecniche TOFD e impulso eco [15]; è possibile la misura con precisioni di alcuni millimetri (meglio con le tubazioni).

Procedure e terminologia della misura delle tubazioni
Diversamente dalle ricerche molto costose del PISC II, gli studi sulle tubazioni tendono a essere più frammentati e di entità più ridotta. I dettagli sulla metodologia tendono a essere scarsi e la quantità dei dati limitata. Sfortunatamente numerose certificazioni di tubazioni e studi delle misure sono proprietari e non possono essere pubblicati. L'elenco riportato di seguito contiene alcuni risultati pubblici.

Per le procedure di analisi, gli operatori delle tubazioni spesso applicano un metodo di analisi frazionato (salami-slice) per acquisire una misura di difetti approssimativa o bloccare le saldature, differentemente dalla meticolosa metallografia del PISC II. Questo conduce naturalmente a alcuni errori per la misura e il rilevamento; non sono disponibili dati concreti, tuttavia gli errori metallurgici sembrano essere dello stesso ordine delle precisioni di misura dichiarate. Tecniche alternative sono di bloccaggio e di sezionamento alla massima ampiezza ultrasonora, la quale potrebbe non essere la massima profondità. Scansioni di tubazioni sono in genere eseguite una volta, come succede in pratica, mentre scansioni dettagliate non sono utilizzate (al contrario dell'industria nucleare). La misura delle tubazioni è spesso basata sulla dimensione dell'area in relazione alla norma ASTM E-1961 [16] o una versione modificata della misura dell'ampiezza [17]. La misura dell'area è veloce e approssimativa, non dettagliata come il metodo nucleare.

La terminologia della misura dei difetti delle tubazioni è vaga. In genere la precisione della misura dei difetti è indicata come precisione ± Y mm. La base scientifica per il ± Y mm non è sempre specificata ma potrebbe essere:
1. L'errore massimo (a volte due deviazioni standard (σ) o il 95% dei risultati)
2. La deviazione standard σ,
3. Il valore RMS ASME, oppure
4. Un errore generale sulla banda, es. "eyeball range". Alcuni autori riportano specificatamente σ o RMS. In altri casi la procedura sembra definire una banda dell'errore generale (spesso + 1 mm). Pochi risultati pubblicati supportano l'errore massimo visto che molti punti rimangono al di fuori della banda dell'errore, sebbene i testi indichino implicitamente questo. Sfortunatamente il numero di punti di dati negli studi delle tubazioni è in genere troppo limitato per produrre statistiche significative.

Limiti fisici
Visto che le dimensioni dei difetti si avvicinano alla lunghezza d'onda (0,4-0,5 mm per onde trasversali da 7,5 MHz), gli aspetti di fisica rappresentano un problema per la modellazione dei difetti nelle tubazioni (in genere i difetti delle tubazioni sono nell'ordine di un passaggio di saldatura , es., 1-3 mm.) Esistono due approcci per le analisi: analitico e numerico.
Analitico
Gli approcci analitici, con i quali vengono in genere utilizzati delle cricche idealizzate, si avvalgono del teorema di Green, delle approssimazioni di Kirchff, delle approssimazioni di Born e del Teorema generale di diffrazione [19]. Sfortunatamente, questi approcci analitici applicano delle approssimazioni per rendere le equazioni risolvibili. Queste approssimazioni non sono valide quando la dimensione del difetto è simile alla lunghezza d'onda, come nel caso delle tubazioni. In questo modo a teoria analitica non può risolvere questo problema, tuttavia, in pratica, gli ultrasuoni sono riflessi dai difetti con d~λ.

Numerico
Tra i vai metodi di valutazione numerica, la tracciatura dei raggi è essenzialmente inutile con d~λ. I Metodi degli elementi finiti (FEM - Finite Element Methods) e i Metodi delle differenze finite (FDM - Finite Difference Methods) dovrebbero essere efficaci, sebbene siano ancora implicate delle approssimazioni. Sfortunatamente FEM e FDM sono molto esigenti in termini di tempo e costi [20] e si è svolta poca ricerca in questo campo.

Dimensione della macchia focale
Un'altra importante considerazione riguarda la minima dimensione della macchia focale raggiungibile, specialmente visto che la dimensione minima del difetto misurabile potrebbe essere limitata dalla dimensione della macchia focale. La teorica dimensione della macchia focale dipende dalla dimensione dell'apertura, dalla frequenza (es. lunghezza d'onda) e dalla distanza focale. Se si considera un'apertura di 16 mm, 7,5 MHz e una distanza focale di 20 mm nell'acqua (es. una messa a fuoco molto breve), la mezza ampiezza di 6 dB si avvicina a 2λ o 1 mm. Questo suggerisce che i difetti al di sotto di + 0,5 mm non possono essere misurati [20]. Questo si correla con la precisione di misura corrente relative alle tecniche come la diffrazione di fondo [13] e i risultati di laboratorio ottimizzati [21].
Invece esiste una scuola di pensiero sulle tubazioni che ritiene una macchia focale eccessivamente piccola risulta controproducente [4, 17], specialmente utilizzando gli approcci delle ampiezze. Tuttavia, questi risultati indicano una precisione di misura più flessibile in confronto con la discriminazione di aree e altri approcci (vedi in basso). Esistono inoltre dei limiti significativi sulle tecniche dell'ampiezza, per esempio, il difetto deve essere centrato nel fascio e deve essere più piccolo del fascio. La correlazione tra ampiezza del segnale e dimensione del difetto è molto debole (vedi per esempio Figura 4).

Figura 4: I dati del campione della tubazione confrontati all'ampiezza e la misura del difetto [22]

Studi sulla misura delle tubazioni

Studio di Battelle PNL
Nel 1981, Battelle ha eseguito un rilevamento e una misura di tubazioni di tipo nucleare per l'NRC [23] usando sette gruppi. Questo studio ha analizzato diversi tipi di materiali di tipo nucleare inclusi i materiali austenitici rivestiti con ferro, pressofusi e lavorati a caldo. Inoltre ha analizzato dei difetti reali (es. cricche da tensocorrosione). Mentre l'applicazione, le procedure e la tecnologia sono datate e i materiali sono diversi, i risultati hanno mostrato l'inaffidabilità della misura dei difetti delle tubazioni con errori di misura importanti.

Studi dell'Università di Ghent

Nel 1997, Iploca (Associazione Internazionale delle Imprese per le Piattaforme Marittime e le Tubazioni ) ha sovvenzionato uno studio sul rilevamento e la misura all'Università di Ghent [4, 24]. Mentre il rilevamento era ottimale per i due gruppi per gli ultrasuoni automatizzati, la misura (solamente per un gruppo) ha prodotto una deviazione standard della misura del difetto compresa in + 1,5-2 mm per difetti da cricche superficiali. Questo livello di precisione di misura è stato successivamente confermato da simili progetti di validazione sovvenzionati privatamente. Lo studio svolto dall'Università di Ghent ha inoltre dimostrato che l'errore di misura di difetti in profondità può essere abbastanza significativo.

Ricerche di Transco:

Recentemente, Advantica ha analizzato uno studio interno mediante i fondi GTI con sette aziende di ispezione [25]. Sono stati inseriti approssimativamente novanta difetti comuni: porosità, fusione incompleta, cricca di rame e difetti trasversali. Il principale obiettivo dell'analisi è stato il rilevamento del difetto, il quale si è dimostrato ottimale, tuttavia la misura del difetto non è risultata eccezionale. La σ ha variato da 1,1 a 1,8 mm [26]. Sono stati trovati degli errori fino a 6 mm, mentre la TOFD ha funzionato solamente per difetti più grandi e più profondi.

Risultati della Shell
Kopp et al [27] hanno pubblicato uno studio interno che ha incluso la misura di difetti (vedi Figure 5). Questa è una delle serie di dati disponibile più completa e mostra che esiste una dispersione considerevole nell'ambito dell'intervallo "eyeball" ± 1 mm, più alcuni punti anomali. Inoltre esiste un lieve sottodimensionamento, come ci si attendeva. Questi risultati sono tipici dei dati delle tubazioni ed è possibile sovrapporre alcuni studi proprietari su questo grafico. I dati della Shell rappresentano una raccolta di diversi programmi, complicando pertanto l'analisi. L'articolo si riferisce a una precisione di misura di ± 0,3 mm impossibile da definire attraverso i dati pubblicati. Questa precisione è basata su una percentuale della dimensione dell'area che non è supportata da studi pubblicati o proprietari. Inoltre ignora i problemi di misura della macchia focale, la correlazione ampiezza-difetto e il d~λ. Dati in un intervallo "eyeball" rientrano in genere in un intervallo di precisione di ± 1 mm.

Figura 5: Dati di misura di Kopp et al. [27]

Studio di Saipem
Cataldo e Legori [28] hanno pubblicato una serie di dati limitati per la certificazione DNV, la quale mostra una correlazione ottimale con la dimensione di difetti (vedi Figura 6). Come nel caso dei risultati della Shell si tende lievemente a sottodimensionare sebbene possa verificarsi un sovradimensionamento. Un intervallo "eyeball" di ± 1 mm potrebbe non risultare "fuori dalla linea". I risultati della Saipem potrebbero essere facilmente sovrapposti ai precedenti risultati della Shell.

 

Una delle osservazioni più interessanti riguarda il confronto di sistemi automatizzati multi-sonda convenzionali e phased array. Quando si usa la stessa configurazione, e nominalmente gli stessi blocchi di taratura, le differenze sono trascurabili, come previsto dalla fisica. Shell/Shaw [27] hanno usato sistemi muti-sonda; Saipem ha usato sistemi phased array; Altri due confronti non hanno mostrato delle significative differenze di rilevamento utilizzando la stessa configurazione [25, 29].

 

Oceaneering OIS
L'Oceaneering ha realizzato una certificazione DNV all'inizio del 2003, la quale ha prodotto nettamente minori σ rispetto a Shell, Saipem o altri soggetti - σ ~ 0,6 mm. Questa serie di dati conteneva principalmente fusioni incomplete di pareti laterali, sebbene le pareti delle tubazioni risultassero leggermente più sottili rispetto a Saipem. Le attuali procedure di ispezione e misura non erano descritte nel documento interno [30]. I risultati sono illustrati nella Figura 7



Figura 7: Confronto delle altezze dei difetti misurati e attuali di Oceaneering
In questo momento, non è chiaro perché i risultati della Oceaneering sono significativamente migliori rispetto a altri. La Oceaneering ha usato ampiamente la TOFD per minimizzare il sovradimensionamento significativo (come visto nella Figura 5), tuttavia in altri casi sono state usate delle procedure standard. I sistemi phased array offrono dei vantaggi significativi per le misure (fasci supplementare e focalizzazione controllata). Inoltre hanno fornito un contributo per le misure almeno quanto le procedure migliorate.

 

Round Robin dell'Istituto per le Saldature Edison(EWI)

Con il patrocinio del GTI, l'EWI ha eseguito un round robin con due tubazioni aventi 24 difetti da fusione incompleta (LoF) con diverse aziende di ispezione [21]. I risultati hanno mostrato una variabilità considerevole tra le aziende di ispezione, anche quando si utilizzano delle procedure nominali identiche. Nello specifico, nel migliore dei casi, le misure del 45% dei difetti rientravano nello + 0,5 mm e la maggioranza rientravano nello + 2 mm (vedi Tabella 1 riportata di seguito).
Come con i risultati di Advantica solamente circa metà dei difetti EWI potrebbero essere analizzati in modo ottimale con la TOFD, in quanto i difetti sono di dimensioni eccessivamente ridotte o posizionati eccessivamente in superficie.
Utilizzando diverse tecniche e impiegando molto tempo, l'EWI ha misurato difetti con una precisione di + 0,6 mm (Categoria A6-open). La conseguenza è che il risultato migliora con il numero di tecniche utilizzate e l'impegno profuso. Questa osservazione è stata condivisa da round robin PISC II per i recipienti in pressione nucleari [7].

Acronimo	Descrizione dell'approccio	Precisione della misura dell'altezza, errore della media "a" in mm e % dei difetti rilevati
		a<± 0,5 mm	±a<± 2,0 mm	±2,0>a <±4,0 mm
A1	Multi-sonda focalizzata, linearizzazione dell'ampiezza	35%	35%	30%
A2	Multi-sonda focalizzata, algoritmo di misura proprietario	45%	45%	10%
A3	Multi-sonda non focalizzata, area e ampiezza Regole	30%	45%	25%
A4	Phased Array focalizzato, 48 elementi, linearizzazione dell'ampiezza	40%	20%	40%
A5	Phased Array focalizzato, 64 elementi, linearizzazione dell'ampiezza	15%	35%	50%
A6	Phased Array focalizzato, 64 elementi, scansione settoriale	25%	25%	50%
A6 open	Phased Array focalizzato, 32 elementi, raster e settoriale	75%	25%	n/a

Tabella 1: Tabella 2 EWI , "Precisione di misura raggiunta" [21]

 

Det Norske Veritas
Gli studi della DNV sulla misura dei difetti, che impiegano una serie di dati basati sull'ampiezza e la TOFD, hanno mostrato una σ anomalamente bassa [22]. Il sottodimensionamento è stato minimo e l'errore sistematico è risultato basso, ~ 0,1 mm, come si è verificato in altri studi. La deviazione standard è stata di ±0,41 per una serie di dati e ± 0,62 per l'altra serie. Questi risultati hanno mostrato un errore significativamente minore rispetto alla media. Approssimativamente un terzo di altri valori, sebbene siano confrontabili con i risultati di Oceaneering. Tuttavia Oceaneering utilizza solamente 88 punti mentre DNV ne utilizza 204.

La Figura 8 è data da un insieme di studi per i quali non sono disponibili dettagli, pertanto è difficile tirare delle conclusioni sule tecniche e le procedure ottimali [31]. Questa differenza potrebbe essere data dalla fase di analisi, di elaborazione o di trattamento statistico. Un'altra bassa σ ottenuta con i risultati di laboratorio dell'EWI riportati precedentemente è dovuta all'applicazione di diverse tecniche oltre al considerevole tempo e impegno profusi [21]. Migliori risultati possono essere attesi da un'ispezione più approfondita [6]. Forse i risultati più impressionanti derivano dai dati Oceaneering mediante un'apparecchiatura standard [30].



Figura 8: Risultati di misura DNV [22]
 

Dati R/D Tech
R/D Tech è proprietaria di alcuni dati che possono essere sovrapposti alle Figure 5-8 senza una distorsione significativa. Le caratteristiche sono simili: Alcune dispersioni (in un intervallo "eyeball" di ± 1 mm), dei sottodimensionamenti limitati, dei sovradimensionamenti significativi un basso errore delle misure medie. In pratica un'analisi RMS della precisione di misura mediante l'approccio ASME fornisce un valore che supera l'intervallo ± 1,1-1,7 mm, in funzione della serie di dati utilizzati (aree ASTM, aree modificate, TOFD e combinazioni). Le tecniche combinate hanno fornito dei risultati migliori (σ inferiore) rispetto alle aree semplici. Inoltre questa serie di dati ha mostrato che la TOFD per le tubazioni era limitata e solamente metà delle misure di difetti poteva essere direttamente misurata dalla TOFD standard.

Discussione

In pratica, con l'eccezione dei risultati di Oceaneering e EWI, i dati disponibili sembrano essere abbastanza omogenei con i valori RMS e σ in genere superiori a 1 mm. Molti dei dati possono essere sovrapposti senza una distorsione importante. Questo indica che l'elemento principale da considerare è dato dai limiti tecnologici e non dall'esperienza dell'operatore o dall'apparecchiatura. L'errore medio è in genere considerevolmente al di sotto di 1 mm, con un sottodimensionamento limitato. In questo momento, la maggior parte delle indicazioni portano a concludere che una precisione superiore a σ ± 1 mm non è realistica. La serie di dati di proprietà di R/D Tech suggeriscono che un intervallo "eyeball" di ± 1 mm è realmente un RMS o una deviazione standard di <± 1 mm. Tuttavia i dati non sono completamente confrontabili visto che variano le condizioni di analisi, non sono identiche le procedure degli ultrasuoni automatizzati, variano le sezioni, ecc. In genere l'errore di misura medio è piccolo e in genere vicino a zero mm.

Il potenziale delle tecniche di diffrazione è molto maggiore rispetto a quello delle tecniche dell'ampiezza, sebbene la TOFD in particolare ha dei limiti con i difetti di dimensioni inferiori e quelli in prossimità della superficie. Affidarsi solamente sule tecniche dell'ampiezza in genere limita la precisione di misura del diametro della macchia focale (~2 mm o intervallo "eyeball" ± 1 mm come determinato nei recenti studi), con frequenti anomalie. La distribuzione delle ampiezze non migliora molto il valore σ. Il sottodimensionamento non rappresenta in genere un serio problema. In linea di principio la TOFD dovrebbe minimizzare il numero di interferenze totali.

Le attuali esigenze per le misure di difetti di ± 0,3 mm di precisione negli impianti (un'altra terminologia indefinita) sembra irrealistica in base ai dati pubblicati. Non è dimostrato che i risultati non pubblicati (o di proprietà) mostrino dei miglioramenti significativi. Nei materiali nucleari con geometria λ ridotta e perfetta, sono state raggiunte delle precisioni ripetibili di ± 0,1 mm [32]. Tuttavia le frequenze ultrasonore sono impossibili negli acciai ferritici, i quali sono più limitati micro-strutturalmente. Sebbene siano state eseguite alcune ricerche sui limiti degli ultrasuoni negli acciai [33], dovrebbero essere approfondite in modo specifico le conoscenze sui materiali delle tubazioni e le condizioni dei sistemi a ultrasuoni automatizzati.

Da una prospettiva di Idoneità al servizio, la migliore soluzione per la tecnologia corrente è di aggiungere da ± 1 mm a ±1,5 mm a tutte le stime di misura per un approccio di precauzione; questo dovrebbe compensare tutti i sottodimensionamenti. Per difetti di maggiori dimensioni, la migliore soluzione è di usare diverse tecniche per evitare il sovradimensionamento totale (5 mm o valore superiore) che può verificarsi [22]; in genere si usa la discriminazione di aree, la TOFD, la diffrazione di fondo e gli angoli multipli [6] se è permesso dal tempo (specialmente per collettori verticali e i tubi stabilizzanti di impianti offshore).
Sfortunatamente le ispezioni in servizio sono, probabilmente, significativamente peggiori dei round robin di laboratorio. L'aspetto positivo è che i risultati più recenti (Oceaneering e EWI) sono nettamente migliori rispetto ai risultati meno recenti (Shell e Advantica).

Fortunatamente è in corso un'attività di ricerca sulle tecniche di misura alternative e migliorate. R/D Tech sta lavorando in diversi ambiti promettenti:
1. Diffrazione di fondo [13]: Questa tecnica offre un potenziale per la misura di difetti fino a un minimo di ± 0,5 mm, sebbene non sia stato provato con le analisi. I problemi principali sono la corretta identificazione dei segnali e la risoluzione del "ring-time".
2. Elaborazione de segnale TOFD [34]: Questa tecnica permette la deconvoluzione dei segnali TOFD per permettere la misura di difetti di dimensioni inferiori. I risultati iniziali sono incoraggianti ma, come tutte le tecniche DSP, è possibile avere un'efficacia discontinua.
3. Focalizzazione migliorata [35]: Un numero maggiore di elementi e di array di matrici dovrebbe diminuire la dimensione della macchia focale e produrre una precisione di misura migliorata.
Certamente esistono altre attività di sviluppo in corso in altre parti del mondo.

Conclusioni

1. La misura di difetti in tubazioni con sistemi a ultrasuoni automatizzati sta diventando più critico con il crescente uso di Idoneità al servizio, specialmente per collettori verticali e i tubi stabilizzanti in impianti offshore.
2. In genere, la TOFD fornisce una misura migliore rispetto ai metodi dell'ampiezza sebbene la TOFD sia fortemente limitata da difetti di ridotte dimensioni e difetti posizionati in prossimità della superficie.
3. I pochi studi disponibili sulle tubazioni mostrano dei risultati abbastanza omogenei malgrado le differenze nelle procedure. Con una o due eccezioni, esiste un intervallo di precisioni regolare, sebbene una migliore conoscenza dei processi possa spiegarne alcuni.
4. Gli studi mostrano in modo univoco una tendenza a sovradimensionare, non a sottostimare. Questo è comprensibile per difetti di ridotte dimensioni.
5. L'industria delle tubazioni non utilizza un'analisi dei dati o una terminologia rigorose come nell'industri nucleare, pertanto le precisioni dichiarate sono spesso indefinite come un intervallo "eyeball", la deviazione standard, l'RMS, l'approssimazione o altri fattori.
6. L'errore di misura medio è ridotto, in genere molto al di sotto di 1 mm, con un errore di misura casuale.
7. Molti studi mostrano un errore di misura che rientra in un intervallo "eyeball" di circa ± 1 mm; la σ varia fino a ± 2 mm, con diverse anomalie, in funzione dei difetti, delle condizioni, ecc.
8. Non esistono dimostrazioni pubblicate che siano attualmente raggiungibili precisioni di ± 0,3 mm nel settore.
9. Fortunatamente esistono in programma diverse tecniche ottimizzate che dovrebbero migliorare significativamente le misure.

Ringraziamenti

Al Sig. Ed Ginzel Del'Istituto di Ricerca dei Materiali, Waterloo, Ontario per la consulenza e l'assistenza fornite. La Oceaneering OIS per la fornitura dei dati di proprietà trasmessi a DNV.

Bibliografia