Controlli a ultrasuoni a alte temperature

Sebbene la maggior parte di rilevamenti di difetti e di misure di spessori ad ultrasuoni sono eseguiti a temperature ordinarie, esistono molte situazioni nelle quali è necessario controllare componenti ad alte temperature.

Questo si verifica soprattutto nelle industrie di processo dove le tubazioni o i contenitori metallici devono essere controllati senza arrestare la produzione per farli raffreddare. Inoltre vi sono anche altre situazioni produttive che interessano componenti ad alta temperatura, come le tubazioni di plastica estrusa, parti in plastica stampate termicamente, lingotti in metallo o componenti pressofuse che devono essere controllate prima del totale raffreddamento.

I trasduttori ad ultrasuoni convenzionali supportano le temperature fino ad approssimativamente 50° C (122 °F). A delle temperature più elevate si subiranno dei danni permanenti causati da una perdita di adesione interna da espansione termica. Se il controllo si rivolge a materiali con una temperatura più elevata di 50°C (122 °F), bisogna di conseguenza usare dei trasduttori destinati a questo tipo di controllo, utilizzando delle tecniche specifiche.

Questa nota applicativa contiene delle informazioni a rapida consultazione inerenti la scelta di trasduttori e accoppianti per alte temperature e i fattori importanti relativi al loro uso. Si riferisce ai controlli ad ultrasuoni convenzionali di componenti fino a circa 500° C (932° F). Nelle applicazioni relative alla ricerca che interessano temperature superiori a queste, vengono impiegate delle tecniche altamente specializzate a onde guidate. Questo soggetto esula dalle finalità di questa nota applicativa.
 

I trasduttori per alte temperature

I trasduttori per alte temperature NDT rientrano in due categorie: trasduttori a doppio elemento e trasduttori con linea di ritardo. In entrambi i casi il materiale della linea di ritardo, interno nel caso dei trasduttori a doppio elemento, ha la funzione di isolamento termico tra l'elemento del trasduttore attivo e la superficie da controllare caratterizzata da un'elevata temperatura. Per ragioni progettuali non esistono trasduttori a contatto o a immersione nella linea di prodotti standard. 

I trasduttori a doppio elemento e a linea di ritardo per le alte temperature sono disponibili per le applicazioni di misura di spessori e di rilevamento di difetti. Come per tutti i controlli ad ultrasuoni, il trasduttore ottimale per una data applicazione è dato da specifiche esigenze di ispezione come il materiale, l'intervallo dello spessore, la temperatura e, nel caso del rilevamento di difetti, il tipo e la dimensione dei difetti significativi.

1. Trasduttori per misuratori di spessori per alte temperature

La più comune applicazione per la misura di spessore per alte temperature concerne i controlli per la corrosione. In particolare viene misurato lo spessore residuo del metallo in tubazioni e serbatoi a alte temperature con i misuratori di corrosione come gli strumenti 39DL PLUS™ e 45MG. La maggior parte dei trasduttori progettati per essere usati con i misuratori di corrosione Evident sono adatti per le applicazioni ad alte temperature. I trasduttori della serie D790 più comunemente utilizzati possono essere impiegati su superfici ad alta temperatura fino a 500° C (932° F). Per un elenco completo dei trasduttori a doppio elemento per i misuratori di corrosione che comprendono specifiche relative alle temperature, riferirsi al link: Trasduttori a doppio elemento per misuratori di corrosione.

Per applicazioni di misura di spessore di precisione mediante il 39DL PLUS o 45MG con Software Single Element, come nel caso dell'ispezione di plastiche a alte temperature, qualunque trasduttore a linea di ritardo Miroscan standard della serie M200 (inclusi i trasduttori per la misura di difetti M202, M206, M207 e M208) può essere dotato di linee di ritardo a alte temperature. Le linee di ritardo DLHT-1, DLHT-2 e DLHT-3 possono essere usate su superfici fino a 260° C (500° F). Le linee di ritardo DLHT-101, DLHT-201 e DLHT-301 possono essere usate su superfici fino a 175° C (347° F). Queste linee di ritardo sono riportate nel documento Diagramma delle opzioni delle linee di ritardo.

Nelle applicazioni complesse che richiedono trasduttori a bassa frequenza per un incremento della penetrazione i trasduttori con protezione sostituibile Videoscan™ e le adeguate linee di ritardo per alte temperature possono essere usati con i misuratori di spessore 39DL PLUS e 45MG che integrano l'opzione software High Penetration. Sono necessarie delle configurazioni personalizzate dei trasduttori. Le linee di ritardo standard per questa serie di trasduttori possono essere usate a contatto di superfici fino a 480 °C (896 °F). Per un elenco completo di trasduttori e di linee di ritardo, riferirsi al link: Trasduttori con protezione sostituibile.

2. Trasduttori per il rilevamento di difetti ad alte temperature

Come nel caso di applicazioni di misura di spessori a alta temperatura il rilevamento di difetti a alta temperatura deve in genere usare trasduttori a doppio elemento o a linea di ritardo. Tutti i trasduttori a doppio elemento NDT standard per il rilevamento di difetti assicura l'applicabilità ad alte temperature. I trasduttori a doppio elemento Fingertip, Flush Case e Extended Range con frequenza pari o inferiore a 5 MHz possono essere usati fino a circa 425 °C (797 °F) mentre trasduttori a frequenza superiore (da 7,5 a 10 MHz) possono essere usati fino a circa 175 °C o (347 °F). Per un elenco completo di trasduttori di questa categoria, riferirsi al link: Trasduttori a doppio elemento per il rilevamento di difetti.

Tutti i trasduttori Videoscan a protezione sostituibile possono essere usati con appropriate linee di ritardo per alte temperature nelle applicazioni di rilevamento di difetti. Le linee di ritardo disponibili per questa serie di trasduttori possono essere usate a contatto di superfici fino a 480 °C (896 °F). Per un elenco completo di trasduttori e di linee di ritardo adatti per diverse temperature massime, riferirsi al link: Trasduttori a protezione sostituibile.

Nelle applicazioni relative all'ispezione di componenti sottili vengono in genere usati trasduttori della serie V200 (comunemente il V202, V206, V207 e V208) ognuno dei quali può essere dotato di linee di ritardo per alte temperature. Le linee di ritardo DLHT-1, DLHT-2 e DLHT-3 possono essere usate su superfici fino a 260 °C (500 °F). Le linee di ritardo DLHT-101, DLHT-201 e DLHT-301 possono essere usate su superfici fino a 175 °C (347 °F). Questi trasduttori e linee di ritardo sono riportate nell'elencoTrasduttori a linea di ritardo.

Inoltre offriamo zoccoli speciali per alte temperature da usare con trasduttori a fasci angolari: la serie ABWHT per temperature fino a 260 °C (500 °F) e la serie ABWVHT per temperature fino a 480 °C (896 °F). Per maggior informazioni sulle dimensioni disponibili, contattare il proprio rappresentante locale Evident.
 

Accoppianti per le ispezioni ad ultrasuoni ad alte temperature

La maggior parte degli accoppianti usati nelle ispezioni ad ultrasuoni come il polipropilene, la glicerina e i gel evaporano rapidamente se sono usati su delle superfici la cui temperatura supera i 100 °C (212 °F). Di conseguenza bisogna usare degli accoppianti speciali durante le ispezioni a temperature elevate. Questi accoppianti devono restare sotto forma liquida o pastosa senza evaporare per ebollizione, bruciare o produrre dei fumi tossici. È importante conoscere l'intervallo di temperatura specificato per l'uso, limitandosi a un utilizzo solamente in questo specifico intervallo. L'uso di accoppianti al di fuori dell'intervallo di temperatura di utilizzo può causare un'efficacia acustica scadente e/o dei rischi di infortuni.

A temperature altissime, perfino accoppianti concepiti per le alte temperature possono essere usati velocemente in quanto tendono a seccarsi o solidificarsi non potendo più trasmettere energia ultrasonora. I residui secchi di accoppianti dovrebbero essere rimossi dalla superficie di ispezione e dal trasduttore prima della misura successiva.

Notare che l'accoppiamento dell'onda trasversale con incidenza normale è in genere non possibile a alte temperature in quanto gli accoppianti commerciali per onde trasversali liquefanno e perdono l'elevata viscosità necessaria per la trasmissione di onde trasversali.

Offriamo due tipi di accoppianti per alte temperature:

1. Accoppiante H-2: Intervallo di temperatura da -18 °C a 400 °C (da 0 °F a 750 °F) 

2. Accoppiante I-2: Intervallo di temperatura da -40 °C a 675 °C (da -40 °F a 1250 °F) 

Notare che gli accoppianti per temperature medie e alte non dovrebbero essere usati in aree non ventilate a causa della remota possibilità di autocombustione dei vapori. Contattare Evident per maggior informazioni.

Per un elenco completo dell'elenco di accoppianti disponibili per Evident insieme alle rispettive note, riferirsi alla nota applicativa Accoppianti per ultrasuoni.
 

Tecniche di ispezione per le applicazioni ad alte temperature

I seguenti fattori dovrebbero essere tenuti in considerazione per stabilire la procedura di ispezione per qualunque applicazione a alta temperatura:

1. Ciclo operativo

Tutti i trasduttori e gli zoccoli destinati all'ispezione a temperature elevate sono progettati per un certo tempo di utilizzo. Sebbene la linea di ritardo isola la parte interna dei trasduttori, un prolungato contatto con superfici a altissime temperature causa un accumulo di calore con possibili danni permanenti al trasduttore se la temperatura interna raggiunge un'elevata soglia. 

Per la maggior parte dei trasduttori a doppio elemento o a linea di ritardo, il ciclo operativo per temperature delle superficie comprese approssimativamente tra 90° C e 425° C (tra 194° F e 797° F) è inferiore a dieci secondi di contatto con superfici molto calde (consigliato cinque secondi), seguito da un minimo di un minuto di raffreddamento all'aria. Notare che questa rappresenta solamente una linea guida. Il rapporto tra il tempo di contatto e la durata di raffreddamento è ancora più critica nel limite superiore dell'intervallo delle temperature del trasduttore. 

Come regola generale, se il telaio del trasduttore diventa eccessivamente caldo per essere tenuto con la mano, significa che la sua temperatura interna ha raggiunto una temperatura che rischia di danneggiarlo. È necessario quindi permettere al trasduttore di raffreddarsi prima di continuare l'ispezione. Alcuni utenti hanno impiegato acqua per accelerare il raffreddamento. Tuttavia Evident non ha pubblicato linee guide relative al raffreddamento ad acqua pertanto la sua adeguatezza di applicabilità deve essere determinata dagli utenti.

2. Funzioni Freeze

I rilevatori di difetti della serie Epoch™ e tutti i misuratori di spessore possiedono delle funzioni Freeze (bloccaggio) che possono essere usate per bloccare la lettura e la forma d'onda visualizzate. La funzione Freeze è molto utile per le misure a alte temperature in quanto permette all'operatore di acquisire una lettura e rimuovere velocemente il trasduttore dalla superficie molto calda. Con i misuratori la modalità di aggiornamento veloce dello schermo dovrebbe essere usato per minimizzare il tempo di contatto.

3. Tecnica di accoppiamento

La combinazione delle esigenze del ciclo operativo del trasduttore e la tendenza degli accoppianti a solidificare o a evaporare in prossimità del limite superiore dell'intervallo di temperatura operativo richiede una veloce manualità da parte dell'operatore. La pratica opportuna consiste nell'applicare una goccia di accoppiante sulla superficie del trasduttore premendo saldamente il trasduttore sulla superficie da ispezionare senza ruotarlo o grattarlo (ciò può causare l'usura del trasduttore). Ogni residuo secco di accoppiante dovrebbe essere rimosso dal trasduttore prima della misura successiva.

4. Incremento del guadagno

I misuratori 39DL PLUS e 45MG possiedono delle funzionalità di incremento regolabile del guadagno da parte dell'utente, come i rilevatori di difetti della serie EPOCH. A causa dei maggiori livelli di attenuazione associati con le misure ad alta temperatura, è spesso utile aumentare il guadagno prima di effettuare delle misure.

5. Variazione della velocità di propagazione dell'onda sonora

La velocità di propagazione delle onde ultrasonore cambiano con la temperatura in tutti i materiali. In effetti la velocità diminuisce all'aumentare della temperatura. Una precisa misura degli spessori di materiali molto caldi richiede sempre una nuova taratura della velocità. Nell'acciaio la velocità cambia di circa l'1% ogni 55 °C (100 °F ). Il valore esatto varia in base alla lega. Nelle plastiche e in altri polimeri, la variazione è considerevolmente maggiore e può avvicinarsi al 50% ogni 55° C di cambiamento della temperatura fino al punto di fusione. Se non esiste il tracciato della temperatura o della velocità di propagazione, è necessario effettuare una taratura della velocità su un campione del materiale da ispezionare alla temperatura reale d'ispezione. La funzione software di compensazione della temperatura nel misuratore 39DL PLUS può essere usato per regolare automaticamente la velocità per delle temperature elevate note in base a una costante temperatura/velocità programmata.

6. Ritaratura dello "zero"

Quando si esegue la misura di spessori con trasduttori a doppio elemento, bisogna ricordarsi che il valore di offset zero per un dato trasduttore, cambia all'aumentare della temperatura a causa dei cambiamenti del tempo di transito attraverso la linea di ritardo. Pertanto è necessario una periodica taratura dello zero per mantenere la precisione delle misure. Con i misuratori di spessore Evident questo può essere eseguito velocemente e facilmente attraverso la funzione auto-zero del misuratore, premendo semplicemente i tasti 2nd Funzione > Do zero.

7. Incremento dell'attenuazione

L'attenuazione sonora in tutti i materiali aumenta con la temperatura e l'effetto è molto più pronunciato nelle plastiche rispetto ai metalli e alle ceramiche. Nelle leghe di acciaio al carbonio a grana fine l'attenuazione a 5 MHz alla temperatura ambiente è di circa 2 dB per un percorso sonoro in una direzione di 100 mm (equivalente a un percorso bidirezionale di 50 mm per ogni direzione). A 500 °C (932 °F), l'attenuazione aumenta approssimativamente a 15 dB per 100 mm di percorso sonoro. In base a questo effetto potrebbe essere necessario aumentare significativamente il guadagno dello strumento durante le ispezioni con dei lunghi percorsi sonori a delle temperature elevate. Può inoltre essere necessario regolare le curve DAC (correzione distanza-ampiezza) o TVG (guadagno in funzione del tempo) che sono state definite a temperature ambiente.

Gli effetti temperatura-attenuazione nei polimeri sono altamente dipendenti dai materiali, tuttavia saranno in genere diverse volte superiori ai numeri riportati precedentemente per l'acciaio. In particolare lunghe linee di ritardo per alte temperature soggette a un alto riscaldamento possono rappresentare una significativa origine di attenuazione totale in un'ispezione.

8. Variazione angolare negli zoccoli

Con gli zoccoli per le alte temperature, la velocità di propagazione dell'onda sonora nel materiale dello zoccolo diminuirà all'aumentare della temperatura del materiale mentre l'angolo di rifrazione nei metalli diminuirà all'aumentare della temperatura. Se questi aspetti influiscono sull'ispezione, è necessario verificare l'angolo di rifrazione alla temperatura reale di funzionamento. In pratica le variazioni della temperatura durante l'ispezione complicano spesso la precisa determinazione dell'angolo di rifrazione reale.