Realizzazione di ispezioni di componenti ad elevate temperature fino a 150 °C con le soluzioni phased array Olympus per le alte temperature

Introduzione

L'esecuzione di ispezioni phased array su componenti ad alta temperatura rappresenta una problematica da risolvere. Gli elementi piezoelettrici e le connessioni interne delle comuni sonde phased array sono sensibili al calore e possono essere danneggiate da alte temperature. Per risolvere questo problema Olympus ha sviluppato un nuovo strumento che permette l'esecuzione di ispezioni phased array fino alla temperatura di 150 °C.

Problematiche da risolvere

Con l'innalzamento della temperatura delle sonde phased array gli elementi piezoelettrici e le connessioni elettriche possono danneggiarsi. I nostri test dimostrano che le comuni sonde phased array non funzionano correttamente se raggiungono gli 80 °C. Per essere usate in completa sicurezza, le sonde dovrebbero non superare la temperatura di 60 °C.

L'isolamento, la dissipazione di calore e il raffreddamento rappresentano tre importanti fattori da considerare nella progettazione dello zoccolo per evitare un'eccessiva diffusione di calore negli elementi della sonda. Il cavo della sonda inoltre deve essere protetto dal calore della componente da ispezionare.

La velocità di propagazione sonora nello zoccolo e nelle componenti da ispezionare varia con la temperatura. Questo può influenzare i calcoli delle leggi focali e gli spostamenti del punto dell'indice, producendo errori di posizionamento una volta rilevate delle indicazioni. Devono inoltre essere considerate le variazioni dell'attenuazione del segnale ultrasonoro e della frequenza.

Soluzione

Olympus ha sviluppato una nuova serie di zoccoli che permettono di effettuare delle ispezioni su componenti ad alta temperatura, fino a 150 °C. Per caratterizzare e validare l'efficienza di questi zoccoli è stato eseguito un test di laboratorio mediante il rilevatore di difetti OmniScan MX2 configurato per effettuare una scansione settoriale con OT da 40° a 70°, tipicamente applicata per un'ispezione di saldature con sonde phased array.

Gli zoccoli sono fabbricati con una resina polietereimmide termoplastica amorfa denominata ULTEM™. Questo materiale è caratterizzato da elevata resistenza, forza e rigidità per l'alta temperatura di transizione vetrosa corrispondente a circa 200 °C.

I seguenti due modelli di zoccoli disponibili per l'acquisto sono stati progettati considerando questa specifica applicazione: SA31C-ULT-N55S-IHC e SA32C-ULT-N55S-IHC. Questi zoccoli includono dei fori di fissaggio per l'encoder Mini Wheel Olympus, permettendo le ispezioni con acquisizione mediante encoder. Relativamente semplici da produrre, altre serie di zoccoli Olympus possono essere prodotte con il materiale ULTEM. Tuttavia, poiché la dissipazione di calore dipende anche dalla forma dello zoccolo, dovrebbero essere prese delle particolari accortezze e gli utenti dovrebbero consultare un rappresentante Olympus per validare la propria richiesta.

Una sonda Olympus installata su uno zoccolo ULTEM.

I test di laboratorio sono stati eseguiti su componenti riscaldate fino a una temperatura di 150 °C. Il rilevatore di difetti OmniScan MX2 è stato usato per eseguire una tipica scansione settoriale con OT da 40° a 70° con una risoluzione di 1 grado. La glicerina è stata usata per accoppiare la sonda allo zoccolo e l'accoppiante ad alta temperatura è stato usato per accoppiare lo zoccolo alla componente.

Codici fabbricante per l'apparecchiatura usata per l'ispezione ad alta temperatura.

Nota: Gli zoccoli PA personalizzati descritti precedentemente sono stati progettati tenendo in considerazione specifiche variabili relative all'applicazione. Se le impostazioni dell'applicazione dovesse variare in modo rilevante rispetto alle aspettative, questi zoccoli potrebbero non risultare più idonei e potrebbero essere necessarie delle modifiche alla loro struttura. Richiedere maggior informazioni attraverso la seguente email: eto@olympus-ossa.com.

*In genere le applicazioni relative alla misura di spessori e difetti mediante UT impiegano degli strati sottili di accoppiante in ambiente esterno, dove le ridotte quantità di gas formate possono dissolversi velocemente. Tuttavia, se un improbabile auto-combustione del gas formato dall'accoppiante rappresenta un considerevole rischio, questo accoppiante non dovrebbe essere impiegato ad una temperatura superiore di auto-combustione.

Risultati

Le sonde con diverse frequenze sono state testate per valutare la variazione di frequenza centrale causata dall'uso del materiale ULTEM. A temperatura ambiente la frequenza centrale delle sonde da 2,25 MHz deve rimanere invariata, tuttavia la frequenza centrale delle sonde da 5 MHz si riduce a 4 MHz. La variazione della frequenza centrale più significante si è verificata con le sonde da 7,5 MHz, la quale si è ridotta a 5 MHz. Di conseguenza le sonde con frequenze superiori a 5 MHz non dovrebbero essere usate con gli zoccoli di ULTEM. Test eseguiti con delle sonde da 5 MHz su una superficie a 10 °C ha mostrato un aumento della variazione della frequenza centrale fino a 3MHz.

Sebbene le proprietà di isolamento dell'ULTEM servono a proteggere la sonda dal calore, è importante anche la dissipazione di calore per permettere un più lungo periodo di ispezione. Quando la temperatura ambiente è di 25 °C, lo zoccolo può essere tenuto in contatto con una superficie a 150° C per un massimo di 10 minuti. Sono necessari 10 minuti supplementari per il raffreddamento della sonda e dello zoccolo. Trascorso questo tempo non sono stati osservati danni agli zoccoli e alle sonda.

L'attenuazione del segnale ultrasonoro non è significativo quando la componente da ispezionare raggiunge i 150 °C fino a quando viene mantenuto l'accoppiamento tra lo zoccolo e la componente. Gli utenti devono fare attenzione a un accoppiamento affidabile. Con una sonda da 5 MHz usati con gli zoccoli ULTEM è stata osservata un'attenuazione del segnale di 4 dB, la quale è in genere considerata accettabile.

All'aumentare della temperatura da 24 °C a 150 °C, la velocità ultrasonora del materiale dello zoccolo ULTEM si riduce da 2470 m/s a 2270 m/s, mentre la velocità dell'onda trasversale si riduce da 3240 m/s a 3103 m/s. Di conseguenza, quando si utilizzano leggi focali calcolate con velocità a temperatura ambiente, si sono osservati dei ridotti spostamenti dell'indice del fascio e una variazione dell'angolo di rifrazione di pochi gradi quando la componente da ispezionare raggiunge 150 °C. Anche se questi spostamenti o variazioni sono stati contenuti, relativamente a questi errori potrebbero essere necessarie delle più precise indicazioni di posizione con alta temperatura in funzione dei requisiti di ispezione. Il calcolo delle leggi focali a velocità note con una temperatura operativa permette di eliminare questo errore. Per ridurre ulteriormente l'errore potenziale derivato dalle modifiche di velocità, Olympus ha definito l'angolo dello zoccolo per ottenere l'angolo rifratto nominale target nell'acciaio a 100 °C con la velocità dell'ULTEM determinata in 2340 m/s. 

A una temperatura ambiente il rilevamento è cresciuto con un'OT da 60° con un guadagno di 45 dB.

A 150 °C, il rilevamento è cresciuto con un'OT da 63° con un guadagno di 49 dB e un percorso sonoro di 33,6 mm.

Nota importante:

Per aiutare a assicurare l'integrità strutturale della sonda e degli zoccoli, l'apparecchiatura non dovrebbe essere utilizzata oltre 10 minuti alla volta e non dovrebbe essere utilizzata nuovamente prima di lasciar trascorrere 10 minuti per il raffreddamento. Il ciclo operativo è basato su una temperatura ambiente massima di 25 °C. Gli utenti devono fare attenzione a definire il ciclo operativo ottimale corrispondente alle condizioni di lavoro se la temperatura ambiente supera i 25 °C.

Conclusione

Gli zoccoli Olympus per le alte temperature, permettono di realizzare, in modo semplice e conveniente, delle ispezioni phased array con acquisizione manuale mediante encoder di componenti fino a 150 °C, tenendo in considerazione le seguenti specificità: frequenza massima della sonda di 5 MHz, ridotta variazione negativa della frequenza, ridotta attenuazione del segnale e ridotta modifica positiva dell'angolo di rifrazione.