Passive-Axis Focusing (PAF) Wedge Series

Simon Alain
Nicolas Badeau
 

Zoccoli a focalizzazione Phased Array per facilitare la riduzione del tasso di rifiuto d'ispezione migliorando la risoluzione della dimensione della lunghezza del difetto

Numerose convalide dei parametri di configurazione dell'ispezione e dell'acustica sono eseguite su blocchi piani o lamine anche se le ispezioni vengono realizzate su superfici curve. Visto che il fascio è influenzato dal raggio di curvatura nelle diverse interfacce (per esempio, l'interfaccia zoccolo-componente e l'interfaccia dell'eco di fondo), la risposta del difetto misurato su una lamina può risultare abbastanza differente dalla risposta misurata su una tubazione. Per risolvere questa problematica Olympus ha sviluppato una serie di zoccoli con focalizzazione a asse passivo (PAF - passive-axis focusing).

Quando un fascio ultrasonoro si propaga attraverso una superficie curva, l'interfaccia si comporta come una lente convergente o divergente, in funzione del rapporto della velocità del mezzo. Nella maggior parte delle applicazioni NDT, gli ultrasuoni passano attraverso un mezzo a bassa velocità (es. Rexolite) a un mezzo a alta velocità (es. acciaio al carbonio) attraverso un'interfaccia convessa come la superficie esterna di una tubazione. Questo genere un effetto della lente divergente che causa un ampliamento della larghezza del fascio. Le immagini di seguito (vedi Figura 1) illustrano le simulazioni dei fasci (mediante il software CIVA), evidenziando le differenze tra il fascio nell'asse passivo su una superficie piana (a sinistra) e il suo equivalente quando si inserisce una superficie con diametro esterno (DE) di 4,5 in. (11,43 cm) [a destra]. Il primo mezzo è la Rexolite (velocità dell'onda di pressione di 2330 m/s), mentre il secondo mezzo è l'acciaio al carbonio (velocità dell'onda trasversale di 3240 m/s).

Figura 1 Simulazione del fascio in una lamina piana (a sinistra) e in una tubazione con DE di 4,5 in. (11,43 cm) [a destra]

Come illustrato nella Figura 2, la superficie del diametro interno (DI) [o eco di fondo] della tubazione si comporta nuovamente come una lente divergente, ampliando ulteriormente il fascio.

Figura 2 Percorso divergente del fascio per uno zoccolo standard (a sinistra) e uno zoccolo a focalizzazione PAF (a destra)

Importanza della larghezza del fascio per la misura della lunghezza della scansione

Nella maggior parte delle applicazioni NDT, incluse le ispezioni con saldatura circonferenziale, la direzione di scansione è lungo l'asse passivo della sonda phased array e la misura della lunghezza del difetto viene usata mediante un sistema di encoding. Il metodo di misura basato sull'ampiezza usato più comunemente è quello della diminuzione di 6 dB. Il vantaggio di questo metodo è che la lunghezza del difetto non è influenzata dall'ampiezza del fascio. Tuttavia, questo è vero solamente se il difetto è di misura maggiore dell'ampiezza del fascio. La lunghezza misurata di un difetto di misura inferiore all'ampiezza del fascio corrisponderà alla stessa ampiezza del fascio. Per esempio, l'indicazione di misura inferiore che un fascio ampio 5 mm può misurare è di 5 mm di lunghezza. Questo significa che tutte le indicazioni di misura inferiore a 5 mm saranno misurate come 5 mm.

Focalizzazione con sonde phased array

Le sonde phased array standard sono state storicamente progettate con elementi piani per la loro semplicità e versatilità. Alcune sonde che sono state specificatamente progettate per l'ispezione di elementi curvi di diametri ridotti (come le sonde con curvatura concava in altezza [CCEV]) per compensare le differenze che si verificano nelle interfacce delle componenti. Tuttavia, questo valore di curvatura è fisso, pertanto, non è ottimizzato per un ampio intervallo di diametri.

Nuovo zoccolo di focalizzazione Olympus ha sviluppato e brevettato [US9952183] una tecnologia dello zoccolo che permette una focalizzazione del fascio ottimizzata per specifici diametri delle tubazioni. La serie di zoccoli con Focalizzazione sull'asse passivo (PAF -passive-axis focusing) è fatto di due materiali di diverse velocità acustiche ma con impedenza simile. L'interfaccia tra i materiali è sagomata come una lente convergente. La superficie superiore dello zoccolo è piana, permettendo l'uso di ogni sonda standard. Gli zoccoli PAF usati per diametri di tubazioni di misura inferiore possiedono raggi delle lenti di misura inferiore per un effetto di focalizzazione maggiore, mentre zoccoli con diametri di misura maggiore possiedono raggi delle lenti di misura superiore.

Figura 3 Zoccolo con Focalizzazione sull'asse passivo (PAF)

Risultati sperimentali

Due componenti sono state prodotte con fori verticali passanti di 1 mm di diametro distanziati da diverse misure. Le componenti e gli zoccoli usati sono illustrati nella Figura 4. La prima componente è una lamina (a sinistra) e il secondo è una mezza tubazione (a destra) con un diametro esterno di 4,5 in. (11,43). Uno zoccolo Rexolite standard (SA31-N55S-IHC) con una superficie basale piana è stato usato per acquisire dati sulla lamina, mentre due altri zoccoli curvi con una superficie basale curva corrispondente al diametro della mezza tubazione è stato usato per acquisire dati sulla componente curva. Uno degli zoccoli curvi utilizzati è un modello Rexolite standard (SA31-N55S-IHC-AOD4.5) e l'altro uno zoccolo a focalizzazione combinata PAF (SA31-N55S-PAF18-AOD4.5) con il raggio della lente pari a 18 mm.

Figura 4 Campione della lamina con uno zoccolo piano standard (a sinistra) e il campione della mezza tubazione con uno zoccolo PAF standard (a destra).

L'obiettivo dell'esperimento è stato quello di misurare l'ampiezza del fascio ottenuta con i tre diversi zoccoli mediante gli echi angolari dei fori passanti nel diametro interno (misura diretta) e nel diametro esterno (secondo semipasso) mediante la tecnica di diminuzione di 6 dB.

La stessa configurazione ultrasonora è stata usata per tutti e tre gli zoccoli: una scansione lineare con un angolo rifratto a 55 gradi (angolo naturale dello zoccolo) nell'onda trasversale con aperture di otto elementi mediante una sonda 5L32-A31. Le caratteristiche dell'apertura attiva della sonda sono le seguenti:

• 32 elementi
• Passo di 0,6 mm
• Area attiva di 192 mm
• Altezza di 10 mm

La Figura 5 mostra la relazione tra la vista C-scan, la vista S-scan e la rappresentazione Ray Tracing. A sinistra, una vista del software SetupBuilder mostra i fasci inferiori produrre un'eco angolare del diametro esterno dopo una riflessione nella parete inferiore e i fasci superiori produrre un'eco angolare del diametro interno. Nella vista S-scan (al centro), l'eco angolare del diametro interno appare superiore rispetto all'eco angolare del diametro esterno in quanto arriva temporalmente prima. Nella vista C-scan (a destra), gli echi del diametro esterno e del diametro interno sono rappresentati uno sull'altro per ogni foro passante nella direzione di scansione.

Figura 5: Rappresentazione che mostra la relazione tra immagini C-scan, S-scan e Ray Tracing

Questa prima serie di dati (vedi Figura 6) è stata acquisita con lo zoccolo standard nella lamina piana. Sebbene i riflettori non siano perfettamente uniformi, i diversi echi angolari dei sette fori passanti sono facilmente identificabili. Le ampiezze nelle indicazioni nel diametro interno e nel diametro esterno sono simili. Mediante la tecnica di diminuzione di 6 dB, l'ampiezza del fascio è stato misurato per essere 5,0 mm nel diametro interno e 4,1 mm nel diametro esterno. I risultati sono sintetizzati nella Tabella 1.

Figura 6: Viste A-scan, S-scan e C-scan dei dati acquisiti con uno zoccolo standard su una lamina piana

La Figura 7 mostra la seconda serie di dati acquisita con lo zoccolo standard nel campione della mezza tubazione con diametro esterno di 4,5 in. (11,43 cm). L'ampiezza del segnale e la rappresentazione dei difetti nella vista C-scan sono compromessi se confrontati con i precedenti risultati. È difficile determinare il numero di distinte indicazioni presenti nel campione. L'ampiezza del fascio è stata misurata pari a 5,7 mm nel diametro interno e 7,5 mm nel diametro esterno. Un'ampiezza del fascio di 7,5 mm significa che tutte le indicazioni misurate saranno almeno lunghe 7,5 mm. In base a una comune norma come la ASME B31, la quale definisce che la lunghezza del difetto massimo accettabile è di 6 mm o di 6,4 mm in funzione del caso della norma, tutte le indicazioni rilevate con questa impostazione saranno rifiutate.

Figura 7: Viste A-scan, S-scan e C-scan dei dati acquisiti con uno zoccolo standard nella tubazione con diametro esterno di 4,5 in. (11,43 cm).

La terza e l'ultima scansione (vedi Figura 8) sono state acquisite con una serie di zoccoli PAF nel campione a mezza tubazione con diametro esterno di 4,5 in. (11,43 cm). La vista C-scan è migliorata considerevolmente in confronto allo zoccolo standard (vedi Figura 8). Inoltre l'immagine generale è anche più nitida rispetto a quella acqusita nella lamina piana. L'ampiezza del fascio misurato è stato di 3,5 mm nel diametro interno e di 4,2 mm nel diametro esterno.

Figura 8: Viste A-scan, S-scan e C-scan di dati acquisiti con uno zoccolo PAF nella tubazione con diametro esterno di 4,5 in. (11,43 cm).

Altri effetti delle lenti sul segnale ultrasonoro

Il materiale usato per produrre l'effetto lente nello zoccolo PAF è stato scelto con un'impedenza il più vicino possibile a quella del Rexolite per evitare delle oscillazioni acustiche nello strato superiore sottile ma con una ridotta differenza per la velocità acustica per permettere la focalizzazione del fascio.

Il test è stato realizzato per definire la differenza di guadagno tra la nuova serie di zoccoli PAF e la serie di zoccoli standard quando l'ampiezza dell'indicazione è definita a uno specifico livello. Le scansioni sono state realizzate con entrambi gli zoccoli, standard e PAF, mediante la modalità del 250 % nel rilevatore di difetti OmniScan™ MX2 su due fori del campione della mezza tubazione. In post-elaborazione, il guadagno numerico è stato realizzato per portare ogni indicazione all'80% dell'altezza dello schermo intero. La Tabella 2 presenta i valori del guadagno finale espresso in decibel per ogni indicazione e combinazione dello zoccolo. Notare che i livelli del guadagno con lo zoccolo PAF sono inferiori ai guadagni per lo zoccolo standard, in quanto l'energia è stata focalizzata.

Conclusione

L'esperimento dimostra chiaramente l'impatto negativo della curvatura della componente sulla capacità della risoluzione della dimensione della lunghezza. Grazie alla nuova serie di zoccoli PAF, la divergenza del fascio causata dalla curvatura esterna della componente può essere compensata mediante una soluzione semplice compatibile con sonde phased array standard. In seguito alla minore ampiezza dei fasci, la nuova serie di zoccoli PAF possono misurare difetti di dimensioni minori e fornire immagini più nitide per semplificare l'interpretazione dei dati e diminuire il tasso di rifiuto.

Riferimento

Data della registrazione del brevetto: Numero della pubblicazione: US9952183.
Numero della richiesta: US14/851739