Questa nota applicativa tratta come misurare gli spessori di pareti di tubi di caldaie a vapore con trasduttori acustici elettromagnetici (EMAT). Scopri in maniera esauriente i trasduttori EMAT in questa applicazione, inclusi i vantaggi e i limiti, nonché la modalità di funzionamento e la modalità di esecuzione delle misure mediante i misuratori ad ultrasuoni e i rilevatori di difetti ad ultrasuoni.
L'importanza dei trasduttori EMAT per la misura dello spessore delle pareti di tubi di caldaie a vapore
La temperatura molto elevata all'interno delle caldaie a vapore (superiore a 800 °C [1472 °F]) può causare la formazione, sulle superfici interna ed esterna dei tubi delle caldaie a vapore, di uno specifico tipo di ossido di ferro, duro e fragile, denominato magnetite. La presenza di questo strato di magnetite nella parte esterna dei tubi può influenzare le misure ultrasonore degli spessori delle pareti mediante i comuni trasduttori a doppio elemento, a causa delle superfici potenzialmente molto irregolari che impediscono un accoppiamento ultrasonoro e dello spessore di magnetite aggiunto allo spessore di acciaio.
Tuttavia, come indica il termine, la magnetite implica proprietà magnetiche che consentono l'uso di un trasduttore EMAT (trasduttore acustico elettromagnetico) magnetostrittivo , come l'E110-SB. I trasduttori EMAT offrono diversi vantaggi rispetto ai trasduttori piezoelettrici a doppio elemento: non è necessario rimuovere la magnetite, lo spessore della magnetite non viene aggiunto alla misura dello spessore della parete e le misure possono essere eseguite molto velocemente senza l'uso di liquidi accoppianti.
Il principale limite dei trasduttori EMAT magnetostrittivi è dato dal fatto che funzionano in modo ottimale solamente quando la magnetite è presente ed è aderente alla parte esterna dei tubi delle caldaie. Inoltre lo spessore minimo misurabile e la precisione di misura non raggiungono le stesse prestazioni dei convenzionali trasduttori a doppio elemento convenzionali. I trasduttori EMAT sono anche relativamente insensibili al rilevamento di piccole cavità interne. Per queste ragioni, i trasduttori EMAT sono spesso usati per una veloce e iniziale verifica dello spessore delle pareti, mentre i trasduttori a doppio elemento possono essere usati successivamente per ispezionare più approfonditamente le aree di interesse.
Teoria del sistema
Esistono due tipi di trasduttori EMAT usati nell'ambito del settore NDT. Quelli noti come trasduttori EMAT Lorentz che non richiedono la presenza di magnetite ma richiedono un elevato livello di energia. Quelli noti come trasduttori EMAT magnetostrittivi, come l'E110-SB, che richiedono la presenza di magnetite ma con livelli di energia molto bassi, tipici di misuratori a ultrasuoni e rilevatori di difetti portatili
Un trasduttore EMAT magnetostrittivo è costituito da un potente magnete a azione continua e una bobina che funzionano come un elettromagnete quando attivato da un impulso di eccitazione proveniente dallo strumento, come illustrato nella Figura 1. Il magnete a azione continua crea un campo magnetico perpendicolare alla superficie della magnetite (Bs nella seguente figura), mentre il campo dinamico creato dall'elettromagnete sposta radialmente verso l'esterno e l'interno della magnetite in seguito all'eccitazione della bobina (Bd), come illustrato nella Figure 2.
Questo movimento genera un'onda trasversale a incidenza perpendicolare nella magnetite che si propaga in seguito nell'acciaio. Essenzialmente, la magnetite agisce come un elemento attivo del trasduttore per generare l'impulso sonoro. La frequenza dell'impulso sonoro varierà in funzione dei cambiamenti di spessore della magnetite, aumentando al diminuire dello spessore della magnetite e diminuendo all'aumentare dello spessore della magnetite. Con i tipici sottili
spessori di magnetite, la frequenza sarà pari approssimativamente a 5 MHz. Il processo inoltre funziona in senso opposto per generare una tensione nella bobina quando l'eco dell'onda trasversale di ritorno vibra la magnetite.
Figura 1. Sezione trasversale di un tipico trasduttore EMAT.
Figura 2. Metodo di generazione dell'onda sonora
Visto che la magnetite spessa rappresenta l'elemento del trasduttore, l'irregolarità della magnetite non rappresenta una problematica per l'accoppiamento, inoltre la magnetite non si aggiunge alla misura dello spessore. Il trasduttore EMAT genera un'onda trasversale in modo che lo strumento deve essere tarato a una velocità di propagazione dell'onda sonora di approssimativamente 3,240 m/s (0,1280 in./µs) tipica dell'acciaio al carbonio. La precisione di
misura tipica con l'E110-SB EMAT è ± 0,25 mm (0,010 in.), con uno spessore misurabile minimo di almeno 2 mm (0,08 in.) in funzione delle proprietà del materiale.
Procedure di configurazione e misura dei trasduttori EMAT per la misura dello spessore delle pareti in tubi di caldaie a vapore
La qualità degli echi ultrasonori nelle applicazioni EMAT dipende parzialmente dalla regolarità dello strato di magnetite, il quale può variare da punto a punto nell'ambito di un dato tubo di caldaia. Se in un punto non possono essere ottenuti degli echi validi è possibile provare un altro punto in prossimità del precedente. Inoltre il trasduttore E110-SB integra un distanziale regolabile che varia la distanza tra la superficie del trasduttore e la superficie del tubo della caldaia. Regolando la distanza con il distanziale si ottimizza, in molti casi, la risposta dell'eco.
Di seguito vengono riportate due modalità di configurazione dei trasduttori EMAT, in funzione dello strumento:
1. Misuratore di spessori a ultrasuoni
Il trasduttore E110-SB viene usato con il misuratore di spessori 39DL PLUS™ in combinazione con l'adattatore 1/2XA/E110, il quale supporta la funzione di riconoscimento della sonda e di filtraggio passa alto necessario per un'ottimale elaborazione del segnale. Quando viene usato l'adattatore, il misuratore automaticamente seleziona la configurazione predefinita EMAT DEFM1-EMAT/E110.
Come per qualunque configurazione del misuratore, per una precisione ottimale, dovrebbe essere eseguita una taratura della velocità e dello zero a due punti su campioni di riferimento spessi e sottili di spessore noto. Se non sono disponibili questi campioni di riferimento, come punto di partenza sono in genere sufficienti le configurazioni predefinite.
Le funzioni di guadagno e di cancellazione dell'eco dello strumento possono essere regolate in base alle proprie necessità per ottimizzare il rilevamento dell'eco. Nella configurazione predefinita dell'EMAT, il misuratore 39DL PLUS visualizzerà una forma d'onda rettificata a onda intera. La Figura 3 illustra una tipica visualizzazione della forma d'onda.
Figura 3. Tipica forma d'onda EMAT rettificata. Per ottenere un maggiore dettaglio della forma della forma d'onda, la quale può risultare utile in condizioni di misura complesse, selezionare l'opzione di visualizzazione RF nel menu di configurazione del misuratore. La Figura 4 mostra una tipica forma d'onda RF da una misura EMAT.
Figura 4. Tipica forma d'onda RF EMAT.
2. Rilevatore di difetti ad ultrasuoni
La Figura 5 illustra una tipica configurazione di partenza EMAT e una forma d'onda per un rilevatore di difetti della serie EPOCH™, come lo strumento EPOCH 6LT o EPOCH 650. Notare che il filtro passa banda deve sempre essere usato per filtrare i rumori a bassa frequenza associati all'EMAT. Inoltre visto che la frequenza dell'onda trasversale varia con lo spessore della magnetite, dovrebbe essere necessaria la frequenza
dell'onda quadra dell'EPOCH per ottimizzare la risposta dell'eco.
Figura 5. Parametri di configurazione di base: Velocità di propagazione dell'onda sonora, 3,240 m/s; zero, 0,650 µs; energia, 400 V; smorzamento, 50 Ω; frequenza di impulso, 5,0 MHz; filtro, 1,5-8,5 MHz.
