Testare un ultrasuoni Phased Array: un tutorial

Fonte: Getty Images e Birring NDE

Il Phased Array (PA), comunemente denominato ultrasuoni in campo medico, è stato esteso alle applicazioni industriali e sta rapidamente sostituendo i tradizionali test a ultrasuoni a fascio angolare (UT). Mentre i test a ultrasuoni convenzionali utilizzano sonde a cristallo singolo con un angolo del fascio fisso come 0⁰, 45⁰, 60⁰ e 70⁰, l'array a fasi applicando ritardi temporali su più cristalli spazza il raggio su una gamma di angoli. Questa funzionalità consente la copertura e l'ispezione complete con una sonda a schiera singola invece di più sonde ad angolo fisso. I ritardi temporali applicati ai singoli cristalli sono calcolati matematicamente per focalizzare e spazzare il raggio. Queste sono chiamate leggi focali. L'utilizzo di una singola sonda PA invece di più sonde convenzionali consente di semplificare gli scanner UT manuali, meccanici e automatizzati. Un altro vantaggio dei test a ultrasuoni Phased Array rispetto agli ultrasuoni convenzionali è che mentre l'UT convenzionale visualizza un segnale A-scan basato sul tempo, l'UT Phased Array visualizza un'immagine settoriale che rappresenta la sezione trasversale della parte testata. L'immagine settoriale è molto più facile da comprendere e interpretare rispetto a un segnale A-scan che richiede la stampa su un disegno del componente. La Figura 1 mostra la sonda Phased Array posizionata su un blocco di acciaio con tre fori laterali e una tacca. L'immagine corrispondente mostra una relazione 1:1 che mostra i tre fori facilitandone la comprensione e l'interpretazione da parte del tecnico. Schermi simili possono essere visualizzati durante l'ispezione di saldature e altre geometrie complesse.

Sebbene PAUT stia diventando un approccio popolare per le ispezioni non distruttive, è importante che gli utenti comprendano questa tecnologia, i suoi limiti e come dovrebbe essere applicata.

Abbreviazioni di Phased Array: Apertura attiva, A: numero di elementi attivi x dimensione dell'elemento; dimensione dell'elemento - dimensione del cristallo; F-Lunghezza focale; f - frequenza in MHz; λ - lunghezza d'onda; v - velocità; dimensione della macchia focale = F λ/A

Selezione della sonda: La selezione della sonda PA è molto importante per i test Phased Array. La frequenza della sonda e la sua apertura attiva definiscono la focalizzazione del raggio che a sua volta definisce la risoluzione dell'immagine. Le sonde con frequenza più elevata e apertura attiva maggiore avranno una messa a fuoco più nitida e immagini con una risoluzione più elevata. Pertanto, una sonda da 5 MHz 32 x 1,0 mm avrà una risoluzione migliore di una sonda da 5 MHz 32 x 0,6 mm o una sonda da 2 MHz 32 x 1,0 mm. E un 16 x 1,0 mm da 5 MHz avrà la stessa dimensione della macchia focale di 32 x 0,5 mm da 5 MHz. Entrambi hanno la stessa apertura attiva di 16 mm

Strumento: Lo strumento Phased Array deve avere la capacità di inviare impulsi a tutti gli elementi richiesti della sonda. Pertanto, per utilizzare completamente una sonda a 32 elementi, lo strumento deve avere un valore minimo di 32:128. Quando si utilizza uno scanner, lo strumento dovrebbe essere in grado di salvare i dati grezzi insieme alle informazioni sulla posizione provenienti dall'encoder.

Scansione: L'ispezione PAUT può essere eseguita in modalità manuale o utilizzando scanner. Gli scanner possono essere manuali, push-pull o motorizzati come quelli utilizzati negli UT automatizzati. Tutti gli scanner includono un'uscita encoder per memorizzare le informazioni sulla posizione insieme ai dati grezzi.

Copertura della scansione: Le scansioni dovrebbero mostrare una copertura del 100% del volume da ispezionare. Copertura non significa solo inondare il volume di suono, ma anche garantire che il suono venga riflesso verso la sonda. Questo è importante quando sono previsti riflettori planari come la mancanza di fusione. I difetti planari agiscono come specchi e riflettono il raggio in base all'angolo di incidenza.

Blocchi di calibrazione: Quando si eseguono ispezioni del codice, la curvatura e lo spessore del blocco di calibrazione devono essere conformi al codice applicabile. Ad esempio, durante l'esecuzione delle ispezioni delle tubazioni ASME, i blocchi di calibrazione curvi devono essere utilizzati per diametri inferiori a 20 pollici con riflettori di calibrazione come specificato nell'ASME V, Art 4.

Livello di riferimento: Questo valore si riferisce all'impostazione del guadagno. L'impostazione del guadagno viene stabilita sui riflettori di calibrazione come richiesto dalle specifiche e generalmente regolata per ottenere l'80% dell'altezza dello schermo intero (FSH). Per le ispezioni ASME, il guadagno deve essere impostato in modo da ottenere non solo l'80% di FSH per un angolo, ma l'80% di FSH per tutti gli angoli nell'intervallo dell'angolo di scansione e nell'intervallo di ispezione. Pertanto, se l'intervallo dell'angolo di scansione è compreso tra 40⁰ e 65⁰, la calibrazione dovrebbe garantire l'80% di FSH per ciascun angolo e affinché i riflettori coprano l'intero percorso del suono. Questo processo viene eseguito seguendo i passaggi di calibrazione che regolano il guadagno per ciascun angolo o legge focale. Viene applicato un guadagno con correzione temporale (TCG) per regolare il guadagno nell'intervallo del percorso sonoro.