VALIDAZIONE MEDIANTE CONTROLLI PAUT (PHASED ARRAY ULTRASONIC TEST) G. Amore - CONTROL SNC, Via Attilio Monti 15, Ravenna

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1 VALIDAZIONE MEDIANTE CONTROLLI PAUT (PHASED ARRAY ULTRASONIC TEST) G. Amore - CONTROL SNC, Via Attilio Monti 15, Ravenna INTRODUZIONE Il controllo radiografico delle saldature di tubazioni era privilegiato rispetto ad altri metodi, come quello ultrasonoro, perché permetteva di avere nei film radiografici una documentazione oggettiva dei risultati del controllo. Il progresso tecnico ha consentito di superare il problema (piccoli spessori e documentazione) con un controllo ultrasonoro registrato (AUT), che offre una documentazione oggettiva come il film radiografico. Le problematiche di sicurezza e di costi del controllo radiografico di saldature sulle piattaforme off-shore trovano nell applicazione del controllo ultrasonoro registrato una soluzione ideale. Mentre in passato configurazioni di giunto diverse dal tubo-tubo erano difficilmente controllabili, oggi configurazioni quali fitting-tubo, sono controllabili in modo affidabile. Solo la configurazione tipo fitting-fitting rimane ad oggi impraticabile. Con un accurato studio ingegneristico questo problema può essere risolto eseguendo queste saldature in fase di prefabbricazione on-shore. Per quanto possibile è auspicabile impiegare l AUT anche in fase di prefabbricazione, ottenendo in questo modo dati omogenei rispetto a futuri controlli in service. Questo senza considerare le migliori prestazioni del sistema ultrasonoro nella individuazione dei difetti planari. La nostra procedura ha fissato i criteri e le modalità per le prove dimostrative in accordo all ASME B31.3 NORMAL FLUID CODE CASE qualificando il metodo per una determinata gamma di giunti saldati con procedimento GTAW+SMAW. I giunti in questione rientrano nel raggruppamento materiali ASME P NUMBER 1 5 ed hanno le seguenti dimensioni: 2 X5,54mm 2 x8,74mm Pagina 1 di 14

2 2 x11,07mm 3 x5,49mm 3 x7,62mm 4 x6,02mm Nel nostro caso abbiamo qualificato la configurazione più difficile, tubo fitting (che consente la scansione da un solo lato della saldatura) validando in questo modo anche la configurazione tubo-tubo, dove comunque si prevede un controllo da entrambi i lati della saldatura L obiettivo della qualifica è stato quello di dimostrare che tutto il sistema PAUT (PHASED ARRAY ULTRASONIC TEST) costituito da: Società di controllo Operatori qualificati Apparecchiature PHASED ARRAY (incluso sonde, zoccoli delle sonde, sistema di accoppiamento, cavi di collegamento) Procedure di taratura e di controllo Software dedicato Blocchi di validazione, taratura, equalizzazione, sia in grado di sostituire in modo pienamente soddisfacente il controllo radiografico, assicurando prestazioni uguali o superiori per quanto attiene: Precisione del metodo (individuazione, dimensionamento, verifica delle posizione, valutazione della natura delle indicazioni). TECNICA UTILIZZATA: PHASED ARRAY (PAUT) Il metodo scelto per il controllo è stato il PHASED ARRAY settoriale. Tramite una sonda costituita da 16 elementi si è in grado, variando il ritardo del segnale UT di partenza tra i vari elementi, di generare un fascio di ultrasuoni che consenta di eseguire una scansione con angoli diversi contemporaneamente (nel nostro caso si è usata una apertura angolare compresa tra 45 e 72 ). Questo permette, tramite una o più scansioni circonferenziali, il Pagina 2 di 14

3 controllo completo del giunto, operando anche da un solo lato della saldatura o, quando è accessibile, dai due lati. Il sistema è dotato di un registratore di posizione detto ENCODER (opportunamente tarato) il che consente alla strumentazione, tramite un apposito software, la rappresentazione sullo schermo dell area controllata schematicamente in sezione trasversale (S Scan). Sullo schermo vengono rappresentate le eventuali indicazioni rilevate, con un colore in funzione dell ampiezza del segnale. La strumentazione può visualizzare sullo schermo per ognuno degli angoli compresi nell intervallo della scansione, la rappresentazione con ecogramma classico detto A SCAN (quello usato comunemente nel controllo manuale) o la vista dall alto C SCAN o la sezione laterale B SCAN. I dati vengono registrati su disco (o su chiavetta USB) in forma di file modificabili. Con un computer e software dedicato, è possibile rivedere in qualsiasi momento i risultati del controllo, elaborando facilmente le immagini, così come lo è anche tramite lo strumento utilizzato per il controllo stesso. Preventivamente sui blocchi di validazione sono stati eseguiti controlli con altre tecniche CND quali la radiografia convenzionale,con conseguente digitalizzazione delle lastre, e gli UT manuali convenzionali. Questo per avere un confronto con i risultati ricavati dal controllo PAUT. PREPARAZIONE BLOCCHI DI VALIDAZIONE E DI CALIBRAZIONE La qualifica è stata eseguita su giunti tubo-curva in cui sono stati ricavati dei difetti artificiali interni ottenuti per saldatura parziale di sottili placchette di tungsteno e di difetti superficiali, interni ed esterni, su tutti i lati e al centro cordone ottenuti per elettroerosione. Per ogni spessore, diametro, p.number, configurazione di cianfrino, processo di saldatura sono stati preparati blocchi contenenti 2 difetti interni artificiali sui due lati dei cianfrini e 6 difetti superficiali (3 interni e 3 esterni) posti a bordo e a centro cordone. I difetti artificiali per collocazione e dimensioni soddisfano i criteri delle norme di riferimento; i difetti interni sono stati documentati da una completa testimonianza fotografica eseguita in fase di realizzazione e da un successivo esame radiografico. I difetti esterni sono misurabili e comunque sono stati certificati tramite rapporto dimensionale dal costruttore. Pagina 3 di 14

4 I blocchi campione di taratura (o di calibrazione) sono stati realizzati secondo codice ASME, producendo intagli in elettroerosione con dimensione in conformità al codice già citato in precedenza e sono stati tutti misurati con conseguente emissione di un rapporto dimensionale da parte del costruttore. Fig. 1- esempio blocco di validazione tubo-curva Fig. 2- posizionamento difetti sub-superficiali interni Fig. 3- posizionamento difetti superficiali interni ed esterni Pagina 4 di 14

5 Fig. 4- placchette in tungsteno Fig. 5- inizio posizionamento placchette in tungsteno Fig. 6- posizionamento definitivo placchette in tungsteno DIMENSIONI BLOCCO Fig. 7- esempio blocco di taratura (calibrazione) DIMENSIONI DIFETTI SUB-SUPERFICIALI ALTEZZA INSERTO (mm) LUNGHEZZA INSERTO(mm) 2 x5,54mm 1,5 6 2 x8,74mm 2,5 6 2 x11,07mm x5,49mm 1,5 6 3 x7,62mm x6,02mm 1,7 6 DIMENSIONI INTAGLI BLOCCHI DI TARATURA Il calcolo delle profondità e delle lunghezze e stato eseguito secondo il codice ASME V Pagina 5 di 14

6 art. 4. DIMENSIONI BLOCCO PROFONDITA INTAGLI (mm) LUNGHEZZA INTAGLI(mm) LARGHEZZA INTAGLI(mm) 2 x5,54mm 10%thk=0,55 Min 25mm Max 6mm 2 x8,74mm 10%thk=0,87 Min 25mm Max 6mm 2 x11,07mm 10%thk=1,1 Min 25mm Max 6mm 3 x5,49mm 10%thk=0,54 Min 25mm Max 6mm 3 x7,62mm 10%thk=0,76 Min 25mm Max 6mm 4 x6,02mm 10%thk=0,6 Min 25mm Max 6mm DIMENSIONI DIFETTI SUPERFICIALI INTERNI ED ESTERNI DIMENSIONI BLOCCO ALTEZZA INTAGLI (mm) LUNGHEZZA INTAGLI(mm) 2 x5,54mm 0, x8,74mm 0, x11,07mm 0, x5,49mm 0, x7,62mm 0, x6,02mm 0,52 6 Il calcolo delle altezze e delle lunghezze e stato eseguito secondo la tabella 1 del codice ASME B.31.3 CODE CASE 181. PREPARAZIONE SCANNING PLANS (PIANI DI SCANSIONE) Sono state effettuate prove preliminari di laboratorio sui campioni per verificarne la fattibilità e per ricavare dei piani di scansione che permettessero la copertura totale del volume di saldatura. Da queste prove è emersa la necessità di usare, per la completezza del controllo, almeno due scansioni a differenti distanze dall asse di saldatura. Queste distanze variano a seconda dello spessore in esame e qui di seguito è riportato un esempio di un piano di scansione relativo alla configurazione tubo-curva Ø 2 x 11.07mm : Pagina 6 di 14

7 Fig. 8- Scanning plan 2 x11.07mm Per queste prove è stata usata la seguente attrezzatura,che si è rivelata ottimale per l applicazione su tubi di piccolo diametro e spessori minimi da 5mm: Sonda PA con frequenza 7.5Mhz, 16 elementi con pitch 0.5mm; Zoccoli sagomati a seconda del diametro con angolo rifratto nominale di 60 ; Scanner Olympus Cobra encoderizzato semiautomatico; Apparecchio Phased Array Olympus Omniscan MX232:128 P/R (sufficiente anche un modulo 16:128) Fig. 9- Scanner Cobra e sonda PA per piccoli spessori Pagina 7 di 14

8 Fig. 10- Olympus Omniscan MX2 ACQUISIZIONE, REGISTRAZIONE DATI E ANALISI DEI DATI Dopo opportuna taratura del sistema sui blocchi appropriati, si è proceduto al controllo con la conseguente acquisizione e registrazione dei dati delle scansioni. Questa operazione è stata eseguita su tutti e sei i blocchi in questione utilizzando come detto in precedenza almeno 2 scansioni a differenti distanze dall asse di saldatura. Il punto di partenza delle scansioni è stato identificato con quello delle radiografie e degli UT manuali per avere la possibilità di un confronto dimensionale univoco dei risultati( posizionamento rispetto alla partenza, lunghezze indicazioni e spostamento delle indicazioni rispetto alla asse di saldatura). L analisi dei dati è stata eseguita tramite software Tomoview 2.9 analizzando contemporaneamente tutte le rappresentazioni che il Phased Array può ottenere : A-scan; B-scan; C-scan; S-scan. Pagina 8 di 14

9 Fig. 11- Rappresentazione Tomoview A-B-C-S scan Fig. 12- Rappresentazione Tomoview A-B-C-S scan difetto interno lato curva Pagina 9 di 14

10 Fig. 13- Rappresentazione Tomoview A-B-C-S scan difetto interno lato tubo Fig. 14- Rappresentazione Tomoview A-B-C-S scan intaglio sup. interno lato tubo Pagina 10 di 14

11 Fig. 15- Rappresentazione Tomoview A-B-C-S scan intaglio sup. interno lato curva Fig. 16- Rappresentazione Tomoview A-B-C-S scan intaglio sup. esterno lato tubo Pagina 11 di 14

12 Fig. 17- Rappresentazione Tomoview A-B-C-S scan intaglio sup. esterno lato curva Fig. 17- Immagine radiografica difetto interno lato curva Pagina 12 di 14

13 Fig. 18- Immagine radiografica difetto interno lato tubo CONCLUSIONI Queste prove hanno evidenziato la validità della tecnica PAUT applicata a diametri e spessori dove storicamente si è sempre proceduto, nell ambito dei CND, con la tecnica radiografica. In particolare si è potuto constatare l affidabilità e l accuratezza nel dimensionamento delle indicazioni con particolare attenzione alla loro altezza, infatti sono stati dimensionati intagli superficiali con altezze pari a 0.5mm. Riguardo ai difetti interni lato tubo sono stati rilevati senza particolari problemi, essendo posizionati favorevolmente alla direzione del fascio ultrasonoro incidente con ampiezze anche al di sopra del 100% della curva dac di riferimento. Mentre i difetti interni lato curva essendo posizionati in modo poco favorevole al fascio incidente sono stati rilevati con la tecnica della diffrazione degli apici (vedi fig. 12), che permette il dimensionamento dell altezza pur avendo una eco di risposta rispetto alla curva dac di riferimento intorno al 20 30% (quindi basso), comunque sopra al livello di valutazione che impone il codice ASME applicato. In conclusione si ritiene che la tecnica applicata sia affidabile nell identificazione e nel dimensionamento dei difetti e che abbia un impatto positivo e migliorativo rispetto alla tecnica radiografica soprattutto in regime di produzione, facendo diminuire drasticamente i tempi del controllo stesso. Pagina 13 di 14

14 Bibliografia 1. ASME 2010, ASME B31.3 Code Case 181 Use of Alternative Ultrasonic Examination Acceptance Criteria in ASME B31.3, August 29, ASME Section V Article 4, Ultrasonic Examination Methods for Welds, American Society of Mechanical Engineers, 2010 Edition 3. Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications Olympus 2007 Edition Pagina 14 di 14