次轴聚焦（PAF）楔块系列

Simon Alain
Nicolas Badeau
 

Sondas de focalización por ultrasonido multielemento (Phased Array) para ayudar a reducir la tasa de rechazo en las inspecciones gracias a la optimización de la resolución en el dimensionamiento longitudinal de los defectos

Muchas de las validaciones de los parámetros de configuración acústica o de inspección se efectúan en bloques o láminas de calibración planas a pesar de que las inspecciones se ejecutan en superficies curvas. Es evidente entonces que debido al efecto radial de la curvatura en el haz bajo varias interfaces (p. ej., la interfaz de suela [zapata] a pieza y la interfaz del eco de fondo), la lectura obtenida al medir el defecto en una placa puede presentar una ligera variación frente a la lectura de medición en un tubo. Para resolver este problema, Olympus ha desarrollado una serie de suelas (zapatas) de focalización en eje pasivo (PAF, de passive-axis focusing).

Cuando se propaga un haz de ultrasonido a través de una superficie curva, la interfaz actúa como una lente de conversión o divergencia en función del nivel de velocidad del medio. En las aplicaciones de ensayos no destructivos más comunes, el ultrasonido pasa de un medio de baja velocidad (como una suela [zapata] de Rexolite) a un medio de alta velocidad (como el acero al carbono) a través de una interfaz convexa como la superficie externa de un tubo. Esto da como resultado un efecto de lente de divergencia que produce la extensión de la anchura del haz. Las imágenes a continuación (ver Figura 1) ilustran simulaciones de haces —usando el software CIVA— que exponen las diferencias entre el haz en el eje pasivo de una superficie plana (izquierda) y su equivalente al penetrar una superficie de 4,5 pulg. de diámetro externo (derecha). El primer medio es la suela (zapata) de Rexolite (velocidad de onda de presión de 2330 m/s), y el segundo medio es el acero al carbono (velocidad de onda transversal de 3240 m/s).

Figura 1: Simulación de haces en una placa plana (izquierda) y en un tubo de 1 pulg. de diámetro externo (derecha)

Tal como se ilustra en la Figura 2, el diámetro interno (D. I.) de la superficie (o eco de fondo) del tubo actúa aún como lente de divergencia, extendiendo más aún el haz.

Figura 2: Trayectoria de divergencia del haz para una suela/zapata estándar (izquierda) y suela/zapata PAF (derecha)

Importancia de la anchura del haz para medir la longitud de escaneo

En la mayoría de las aplicaciones de ensayos no destructivos, inclusive en la inspección de soldadura circunferencial, la dirección del escaneo se establece por el eje pasivo de la sonda de ultrasonido multielemento (PA), y la medición de la longitud del defecto se lleva a cabo usando un sistema de codificación. El método de dimensionamiento por amplitud más usado es la técnica de caída a 6 dB. La ventaja de este método es que la longitud del defecto no es afectada por la anchura del haz. Sin embargo, esto solo es real cuando el defecto es mucho más largo que la anchura del haz. La longitud medida de un defecto más corto que la anchura del haz corresponderá a la propia anchura del haz. Por ejemplo, la indicación de defecto más corta que puede medir un haz de 5 mm de anchura es 5 mm de longitud. Esto quiere decir que todos los defectos más pequeños que 5 mm serán medidos como 5 mm.

Sondas Phased Array de focalización

Las sondas de ultrasonido multielemento (Phased Array), históricamente, han sido desarrolladas con elementos planos debido a su simplicidad y versatilidad. Algunas de las sondas que han sido desarrolladas para la inspección de diámetros más pequeños presentan elementos curvos (como curvaturas cóncavas en sondas de elevación [CCEV]) a fin de contrarrestar algunas de las divergencias que se producen en las interfaces de la pieza. Sin embargo, la prestación de esta curvatura es fija, por lo tanto, no puede ser optimizada para un amplio rango de diámetros.

Nuevas suelas (zapatas) de focalización Olympus ha desarrollado y patentado [US9952183] una tecnología de suelas (zapatas) que otorga una focalización de haz optimizada para diámetros de tuberías específicos. La serie de suelas (zapatas) de focalización en el eje pasivo [PAF] usa dos materiales con diferentes velocidades acústicas, pero conservan una impedancia similar. La interfaz entre los materiales da forma a un estilo de lente de convergencia. La superficie superior de la suela (zapata) es plana, permitiendo el uso de cualquier sonda estándar. Las suelas (zapatas) PAF usadas para diámetros de tuberías de menor dimensión ofrecen radios de lente más pequeños para un efecto de focalización más extenso mientras que las suelas (zapatas) de diámetros de mayor dimensión se aplican con radios de lente más grandes.

Figura: Suela (zapata) de focalización de eje pasivo (PAF)

Resultados empíricos

Dos piezas han sido fabricadas con perforaciones verticales de 1 mm de diámetro separadas por distintas distancias. Las piezas y las suelas [zapatas] usadas se muestran en la Figura 4. La primera pieza es una placa (izquierda) y la segunda es un medio-tubo (derecha) con un diámetro externo de 4,5 pulg. Se usó una suela (zapata) de Rexolite [SA31-N55S-IHC] con un frente inferior plano para adquirir datos en la placa, y se usaron dos suelas (zapatas) adicionales con un frente curvo, en correspondencia con el diámetro del medio-tubo, para adquirir los datos en pieza curva. Entre las suelas (zapatas) curvas había un modelo estándar de Rexolite (SA31-N55S-IHC-AOD4.5), y la otra era una suela (zapata) de focalización para materiales compuestos (SA31-N55S-PAF18-AOD4.5) con un radio de lente de 18 mm.

Figura 4: Muestra de placa con una suela/zapata estándar (izquierda), y muestra del medio-tubo con una suela/zapata PAF (derecha)

El objetivo del experimento era medir la anchura del haz obtenida con las tres suelas (zapatas) diferentes usando reflexiones de esquina de las perforaciones en el diámetro interno (choque directo) y diámetro externo (segundo salto) mediante la técnica de caída de 6 dB.

Se usó la misma configuración del ultrasonido para las tres suelas (zapatas): un escaneo lineal en ángulo de refracción de 55 grados (ángulo natural de la suela [zapata]) en onda transversal con aperturas de ocho elementos usando la sonda 5L32-A31. Las características de apertura activa de sonda son las siguientes:

• 32 elementos
• 0,6 mm de emisión
• 19,2 mm de área activa
• 10 mm de elevación

La Figura 5 muestra la relación entre las representaciones C-scan, S-scan y Ray Tracing. A la izquierda, la pantalla del software NDT SetupBuilder exhibe los haces más pequeños que chocan con la esquina de diámetro externo después de una reflexión en el eco de fondo, y los haces más grandes que chocan con la esquina del diámetro interno. En la representación S-scan (centro), la esquina de D. I. aparece más grande que la esquina del D. E. ya que se presenta antes en la trayectoria. En la representación C-scan (derecha), las equinas de D. E. y D. I. son conceptualizadas en la parte superior de cada una de ellas con respecto a cada perforación presente en la dirección de escaneo.

Figura 5: Representación mostrando la relación entre el C-scan, S-scan y los datos Ray Tracing

Este primer grupo de datos (ver la Figura 6) ha sido adquirido con las suelas (zapatas) estándares en la placa plana. A pesar de que los reflectores no son perfectamente uniformes, las distintas esquinas de las siete perforaciones son identificadas fácilmente. La amplitud en las indicaciones del D. I y el D. E. son similares. Con la técnica de caída a 6 dB, la anchura del haz se midió en 5,0 mm en el D. I. y 4,1 mm en el D. E. Los resultados se resumen en la Tabla 1.

Figura 6: Representaciones de los datos A-scan, S-can y C-scan adquiridos con una suela (zapata) estándar en una placa plana

La Figura 7 muestra el segundo grupo de datos adquirido con la suela (zapata) estándar en la muestra de medio-tubo con diámetro externo de 4,5 pulg. La amplitud de la señal y la representación del defecto en el C-scan se degradan en comparación con los resultados anteriores. Es difícil determinar la cantidad de los diversos defectos presentes en la muestra. La anchura del haz se midió en 5,7 mm en el D. I. y 7,5 mm en el D. E. Una anchura de haz de 7,5 mm significa que todos los defectos se medirán en al menos 7,5 mm de longitud. En conformidad con una normativa común, como el código ASME B31, que pone en manifiesto una longitud máxima aceptable del defecto de 6 mm o 6,4 mm según el código, todos los defectos detectados con la configuración previamente mencionada serán rechazados.

Figura 7: Representaciones A-scan, S-scan y C-scan de los datos adquiridos con una suela (zapata) estándar en el tubo de 4.5 pulg. de D. E.

El tercer y último escaneo (ver la Figura 8) ha sido adquirido con una suela (zapata) de la serie PAF en la muestra de medio-tubo con 4,5 pulg. de diámetro externo. La representación C-scan mejoró en gran medida en comparación con la suela (zapata) estándar (ver la Figura 8). Asimismo, la imagen total es incluso más nítida que aquella adquirida en la placa plana. La anchura del haz se midió en 3,5 mm en el D. I. y 4,2 mm en el D. E.

Figura 8: Representaciones A-scan, S-scan y C-scan de los datos adquiridos con una suela (zapata) PAF en el tubo de 4.5 pulg. de D. E.

Otros impactos de la lente en la señal del ultrasonido

El material usado para producir el efecto de lente en la suela (zapata) PAF fue seleccionado para que presente una impedancia lo más cercana posible al material de Rexolite; de esta manera, se evitan las reverberaciones acústicas anulares entre la capa superior delgada, pero con una pequeña diferencia en la velocidad acústica para permitir el enfoque del haz.

El ensayo se llevó a cabo para definir la diferencia de la ganancia entre la nueva serie de suelas (zapatas) PAF y la serie de suelas (zapatas) estándar cuando la amplitud del defecto es determinada a una nivel específico. Los escaneos se hicieron con ambas suelas, la estándar y la PAF, empleando el modo 250 % en el detector de defectos OmniScan™ MX2 en dos perforaciones de la muestra de medio-tubo. En el procesamiento posterior, la ganancia numérica fue ajustada para que cada defecto consiga el 80 % de altura de la pantalla completa. La Tabla 2 presenta los valores de ganancia finales en decibelios para cada defecto y combinación de suela (zapata). Note que los niveles de ganancia requeridos con la suela (zapata) PAF son más bajos que aquellos en el caso de las suelas (zapatas) estándar, ya que la energía está siendo focalizada.

Conclusión

El experimento demostró claramente el impacto negativo de la curvatura de la pieza en la capacidad de resolución del dimensionamiento de longitud. Gracias a la serie de suelas (zapatas) PAF, la divergencia del haz, causada por la curvatura externa de la pieza, puede ser compensada usando una simple solución que es compatible con las sondas estándar de ultrasonido multielemento (Phased Array). Debido a la formación de una anchura de haz más pequeña, la nueva serie de suelas (zapatas) PAF puede medir defectos más pequeños y proporcionar imágenes más nítidas para simplificar la interpretación de datos y reducir la tasa de rechazo.

Referencias:

Datos de registro de patente. Número de publicación: US9952183.
Número de aplicación: US14/851739