Kỹ thuật kiểm tra Phased Array nâng cao cho mối hàn tiếp cận một phía (single-sided access)

Phần 1: Giới thiệu

Kiểm tra siêu âm mảng pha (PAUT) được trao cho các khả năng to lớn để thực hiện kiểm tra mối hàn chất lượng cao đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn được thiết lập tương ứng khi PAUT được áp dụng với lựa chọn tham số thích hợp.

Trong thực tế chung, kiểm tra mối hàn siêu âm đòi hỏi vị trí đầu dò ở cả hai mặt của mối hàn để bao phủ hoàn toàn mối hàn. Nếu một số cấu hình mối hàn nhất định hạn chế vị trí đầu dò chỉ nằm ở một phía của mối hàn, thì các mối hàn đó được gọi là mối hàn tiếp cận một bên. Yêu cầu kiểm tra các mối hàn một phía là một tình huống phổ biến phải đối mặt trong các ngành công nghiệp khác nhau. Hầu hết, các mối hàn này có các mũ hàn làm lệch chùm siêu âm khỏi đường truyền và tạo ra các chỉ thị không liên quan, do đó làm tăng độ khó khăn trong ứng dụng siêu âm khi kiểm tra mối hàn tiếp cận một phía.

Nói chung, bất kỳ kỹ thuật kiểm tra mối hàn siêu âm nào cũng cần phải được xác nhận theo các yêu cầu dự án tương ứng bằng cách sử dụng một mẫu đối chứng thích hợp. Điều được nhấn mạnh trong ASME Phần V Điều 4 Phụ lục IX-435.8 bắt buộc rằng kỹ thuật kiểm tra mối hàn một phía (truy cập một phía) yêu cầu xác nhận bằng cách sử dụng một mẫu thích hợp, sẽ chứa hai khuyết tật chính, mối khuyết tật ở mỗi bên của mối hàn. Bài viết này liệt kê một nghiên cứu về phản hồi tín hiệu siêu âm của các khuyết tật không ngấu vách (LOF) trong các mối hàn thép cacbon tiếp cận một phía (single-sided access, one-sided access).

Nội dung sơ lược của các phần

• Phần 2 mô tả việc lựa chọn kỹ thuật kiểm tra, bao gồm cơ sở lý thuyết, kỹ thuật kiểm tra, thiết bị và đầu dò.
• Phần 3 mô tả các lựa chọn mẫu, bao gồm kích thước của LOF tự nhiên được đánh giá bởi PAUT.
• Phần 4 cung cấp các phương án Scan plan cho phương án kiểm tra mối hàn tiếp cận một phía, bao gồm các tham số đầu dò.
• Phần 5 mô tả mục tiêu của nghiên cứu,
• Phần 6 kết quả kiểm tra trong trường hợp mẫu hàn một phía dày 12,5 mm
• Phần 7 kết quả kiểm tra trong trường hợp mẫu hàn một phía dày 20 mm.
• Phần 8 mô tả các quan sát dựa trên các nghiên cứu.
• Phần 9 trình bày kết luận khi kiểm tra siêu âm mối hàn tiếp cận một phía.

Phần 2: Lựa chọn các kỹ thuật và phương án kiểm tra cho mối hàn tiếp cận một phía

Ủy ban điều tiết hạt nhân Hoa Kỳ (NRC) đã tiến hành nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) để đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của PAUT trong việc phát hiện và các khuyết tật hàn trong các mối hàn thép carbon. Một báo cáo nghiên cứu kỹ thuật đã được NRC của Hoa Kỳ công bố dựa trên nghiên cứu này. Sau đây cung cấp một số kết luận từ báo cáo nghiên cứu kỹ thuật:

Trong thép carbon, PAUT phát hiện khuyết tật bằng cách sử dụng chân thứ hai hoặc chân thứ ba của chùm siêu âm.

Việc kiểm tra từ một phía có thể sẽ không phát hiện tất cả các khuyết tật. Khuyến cáo rằng tất cả các mũ mối hàn phải được mài phẳng như bề mặt của vật liệu liền kề để tăng xác suất phát hiện LOF.

Dựa trên các kết luận trên, các kiểm tra mối hàn siêu âm truy cập một mặt có thể sử dụng công nghệ mảng pha thông thường với các cài đặt sau (trong thí nghiệm này):

• Kiểm tra sử dụng chân thứ hai (kỹ thuật nhiễu xạ)
• Kiểm tra chân thứ ba.

Khi kiểm tra mối hàn bằng công nghệ mảng pha tiên tiến, kỹ thuật sử dụng tương ứng là:

• Kỹ thuật TRL sử dụng đầu dò DMA.

Kỹ thuật nhiễu xạ sử dụng chân thứ hai của chùm siêu âm từ đầu dò mảng pha tuyến tính để quét vùng phía xa đầu dò. Vị trí đặt đầu dò điển hình với chân thứ hai để kiểm tra tia góc phía xa được minh họa trong Hình 1.

Vì mặt vát gần song song với chân thứ hai của chùm tia, sẽ không có xung phản xạ nào từ mặt LOF. Tuy nhiên, tín hiệu nhiễu xạ yếu từ các cực của LOF có thể thu nhận và đòi hỏi mức dB tăng đáng kể để thu tín hiệu nhiễu xạ.

Với phương án sử dụng Chân thứ ba của chùm siêu âm từ đầu dò mảng pha tuyến tính để bao phủ vùng mép vát phía xa, vị trí đầu dò điển hình với chân thứ ba được minh họa trong Hình 2.

Đối với công nghệ mảng pha thông thường, đầu dò mảng 5 MHz tuyến tính có biến tử 1,0 mm thường được sử dụng. Đối với công nghệ mảng pha tiên tiến, đầu dò DMA 4 MHz có biến tử 1,0 mm được sử dụng. Hình 3 minh họa các nêm (góc tự nhiên 55º, vận tốc 2330 m / s) được sử dụng trong nghiên cứu này. Thiết bị cấu hình 32:128PR được sử dụng để phát và thu nhận tín hiệu.

Mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm mô phỏng CIVA 11.1, với giả lập chuyển đổi dạng sóng có trong cài đặt mô phỏng. Một mẫu thép carbon đẳng hướng (cả kim loại cơ bản và mối hàn) được sử dụng. Bằng cách giả sử vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, tốc độ âm thanh trong vật liệu là không đổi đối với tất cả các góc cho một chế độ sóng cụ thể. Một khe hình chữ nhật sử dụng như khuyết tật LOF. Mô hình Kirchhoff và lý thuyết hình học của nhiễu xạ (GTD) được sử dụng để mô phỏng tương tác chùm tia với khuyết tật.

Hình 4 Minh họa biểu diễn thang màu của biên độ cho các hình ảnh liên quan đến phần mềm mô phỏng và trên thiết bị OmniScan 32:128PR.

Hình 4. Biểu diễn thang màu biên độ cho phần mềm mô phỏng và thiết bị PA

Phần 3: Lựa chọn mẫu kiểm tra

Mẫu vật hàn có hai độ dày khác nhau, 12,5 mm và 20 mm, với mũ mối hàn được để nguyên trong nghiên cứu này. Vì LOF là khuyết tật thường bị bỏ sót nhất trong kiểm tra mối hàn siêu âm từ một mặt nên đã được chọn làm vật phản xạ. Mỗi mẫu chứa LOF tự nhiên với chiều dài, chiều cao và vị trí cụ thể trong mối hàn. Tất cả các LOF được chọn ở một phía đối diện và mặt vát mối hàn được gọi là mặt nghiêng 90 (skew 90). Phía mặt vát đối diện ở vị trí không có LOF được gọi là mặt vát 270 (skew 270). Một mặt vát 90 và 270 được minh họa trong Hình 5.

Kích thước của LOF được đánh giá bằng kỹ thuật mảng pha thông thường (kế hoạch quét 1 và 5), sử dụng vị trí đầu dò mảng pha tuyến tính ở ở skew 90 (cùng phía với LOF, như kiểm tra mối hàn hai mặt) với mức dB tham chiếu và được liệt kê trong Bảng 1: dB tham chiếu được coi là mức dB của TCG thu được xung phản hồi ở mức 80% FSH từ SDH 2,5 mm có chiều dài 38 mm ở các độ sâu khác nhau.

Phần 4: Phương án quét và đặt đầu dò

Kết luận từ một nghiên cứu trước đây đã được sử dụng để tạo ra các kế hoạch quét phù hợp nhất khi kiểm tra phased array.

Các kế hoạch quét cho mẫu hàn dày 12,5 mm được cung cấp trong Bảng 2:

• Kế hoạch quét 1 cung cấp phương án kiểm tra sử dụng chân thứ hai của chùm siêu âm để kiểm tra skew 90 bằng đầu dò mảng pha tuyến tính.
• Kế hoạch quét 2 cung cấp phương án kiểm tra sửa dụng chân thứ hai của chùm siêu âm để kiểm tra skew 270 với kỹ thuật nhiễu xạ đầu sử dụng đầu dò mảng pha tuyến tính.
• Kế hoạch quét 3 cung cấp phương án kiểm tra sử dụng chân thứ ba của chùm siêu âm để kiểm tra từ skew 270 bằng cách sử dụng đầu dò mảng pha tuyến tính.
• Kế hoạch quét 4 cung cấp phương án kiểm tra sử dụng chân đầu tiên của chùm siêu âm (tia trực tiếp) để kiểm tra skew 270 bằng đầu dò DMA.

Các kế hoạch quét cho mẫu hàn dày 20 mm được cung cấp trong Bảng 3:

• Kế hoạch quét 5 cung cấp phương án kiểm tra sử dụng chân thứ hai của chùm siêu âm để kiểm tra từ skew 90 bằng cách sử dụng đầu dò mảng pha tuyến tính.
• Kế hoạch quét 6 cung cấp phương án kiểm tra sử dụng chân thứ hai của chùm siêu âm để kiểm tra từ skew 270 với kỹ thuật nhiễu xạ đầu sử dụng đầu dò mảng pha tuyến tính.
• Kế hoạch quét 7 cung cấp phương án kiểm tra sử dụng chân thứ ba của chùm siêu âm để kiểm tra từ skew 270 bằng cách sử dụng đầu dò mảng pha tuyến tính.
• Kế hoạch quét 8 cung cấp phương án kiểm tra sử dụng chân đầu tiên (tia trực tiếp) của chùm siêu âm để kiểm tra từ skew 270 bằng đầu dò DMA.

Phần 5: Mục đích của thí nghiệm nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu trong trường hợp này:

• Để thực hiện mô phỏng và nghiên cứu thực tế về các mẫu hàn như được mô tả trong Phần 3 của bài viết này khi phát hiện các LOF ở skew 90 khi kiểm tra mối hàn siêu âm truy cập một phía như được mô tả trong Phần 2 của bài viết này, với các phương án quét được cung cấp trong Phần 4.
• Để lập bảng kết quả kiểm tra mối hàn siêu âm tiếp cận từ một phía. Kết quả bao gồm biên độ theo % FSH, SNR và chiều cao đo được của LOF. Các kết quả được lập bảng là kết quả thực tế thu được khi sử dụng thiết bị OmniScan PA.

Phần 6: Kết quả khi kiểm tra mẫu 12,5mm

6.1 Siêu âm Phased array cho mẫu 12,5 mm (scan plan 1)

Kế hoạch quét 1 sử dụng chân thứ hai của chùm siêu âm từ đầu dò mảng pha tuyến tính với vị trí đầu dò ở skew 90. Hình ảnh quét S và kết quả quan sát (biên độ, SNR và chiều cao) của kế hoạch quét 1 trên hai LOF tự nhiên được lập bảng trong Bảng 4. Định cỡ được thực hiện bằng phương pháp giảm biên độ 6 dB. Các kết quả quan sát được coi là một tài liệu tham khảo để so sánh kết quả của các kế hoạch quét khác: 2, 3 và 4.

6.2 Siêu âm Phased array cho mẫu 12,5 mm (scan plan 2)

Kế hoạch quét 2 sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ, sử dụng chân thứ hai của chùm siêu âm từ đầu dò mảng pha tuyến tính với vị trí đầu dò ở skew 270 để phát hiện các tín hiệu nhiễu xạ đầu LOF. Các hình ảnh quét S và kết quả quan sát được (biên độ, SNR và chiều cao) của kế hoạch quét 2 so với LOF1 và LOF2 được lập bảng tương ứng trong Bảng 5 và 6.
Tại dB tham chiếu, người ta quan sát thấy các LOF gần như bị bỏ qua, vì các tín hiệu nhiễu xạ yếu hơn nhiều so với tín hiệu phản xạ và nhiễu nền. Db tham chiếu được tăng dần cho đến khi các tín hiệu của LOF được phát hiện chính xác. LOF1 được phát hiện chính xác ở mức +25 dB và LOF2 được phát hiện chính xác ở mức +26 dB. Tuy nhiên, dB bổ sung phụ thuộc nhiều vào từng LOF và có thể thay đổi đáng kể theo từng trường hợp.

Định cỡ được thực hiện bằng cách đo khoảng cách giữa các tín hiệu nhiễu xạ. Ta quan sát thấy sự gia tăng dB để phát hiện cũng đồng nghĩa với tỷ số tín hiệu/nhiễu giảm. SNR giảm đáng kể và tín hiệu nhiễu lẫn với tín hiệu khuyết tật có thể sẽ tạo ra sự nhầm lẫn khi giải đoán. Kỹ thuật nhiễu xạ có thể được áp dụng cho từng trường hợp cụ thể với sự thận trọng và cân nhắc SNR mong muốn.

6.3 Siêu âm Phased array cho mẫu 12,5 mm (scan plan 3)

Kế hoạch quét 3 sử dụng chân thứ ba của chùm siêu âm từ đầu dò mảng pha tuyến tính với vị trí đầu dò ở skew 270. Việc kiểm tra theo phương án này phụ thuộc vào sự phản xạ từ LOF. Tín hiệu phản xạ từ LOF phụ thuộc nhiều vào mũ mối mối hàn, vì các chùm siêu âm bị biến dạng và chuyển đổi dạng sóng khi đi vào vùng mũ.
Các hình ảnh quét S và kết quả quan sát được (biên độ, SNR và chiều cao) của kế hoạch quét 3 so với LOF1 và LOF2 được lập bảng tương ứng trong Bảng 7 và 8. Định cỡ được thực hiện bằng phương pháp nhiễu xạ.

Việc kiểm tra theo phương án này phải được áp dụng một cách thận trọng vì dB bổ sung cần thiết để đánh giá khuyết tật và SNR phụ thuộc vào mũ mối hàn. Trong nghiên cứu này, cần thêm +12 dB độ nhạy công thêm trên dB tham chiếu.

6.4 Siêu âm Phased array DMA cho mẫu 12,5 mm (scan plan 4)

Kế hoạch quét 4 sử dụng chân đầu tiên của chùm siêu âm từ đầu dò DMA với vị trí đầu dò ở skew 270. Đầu dò DMA thuộc loại truyền / nhận (TRL), trong đó sóng dọc khúc xạ được truyền qua một mảng biến tử và được nhận bởi mảng biến tử khác. Đầu dò này có lợi thế khi có thể quét một phạm vi góc rộng (lên đến 87º) với tùy chọn hội tụ chùm âm tốt hơn khi so sánh với đầu dò mảng tuyến tính. Các hình ảnh quét S và kết quả quan sát (biên độ, SNR và chiều cao) của kế hoạch quét 4 so với LOF1 và LOF2 được lập bảng tương ứng trong Bảng 9 và 10. Định cỡ được thực hiện bằng phương pháp biên độ cực đại. Theo quan sát, kế hoạch quét 4 có thể phát hiện LOF1 và LOF2 với vị trí chính xác và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu rất tốt.

Phần 7: Kết quả khi kiểm tra mẫu 20mm

7.1 Siêu âm Phased array cho mẫu 20 mm (scan plan 1)

Bảng 11 cung cấp hình ảnh quét S và kết quả quan sát được (biên độ, SNR và chiều cao) của kế hoạch quét 5 so với LOF3 và LOF4, tương ứng. Các kết quả này được coi là tài liệu tham khảo để so sánh kết quả của các kế hoạch quét khác: 6, 7 và 8.

7.2 Siêu âm Phased array cho mẫu 20 mm (scan plan 2)

Bảng 12 và 13 cung cấp hình ảnh quét S và kết quả quan sát được (biên độ, SNR và chiều cao) của kế hoạch quét 6 so với LOF3 và LOF4 tương ứng.
Trong trường hợp mẫu vật 20 mm, LOF bị bỏ sót ở dB tham chiếu, tương tự với kết quả quan sát được trong nghiên cứu trường hợp trước đó về mẫu dày 12,5 mm. DB bổ sung là cần thiết để phát hiện tốt các tín hiệu nhiễu xạ. Tuy nhiên, dB bổ sung phụ thuộc vào bản chất của LOF và có thể thay đổi đáng kể theo từng trường hợp.

7.3 Siêu âm Phased array cho mẫu 20 mm (scan plan 3)

Bảng 14 và 15 cung cấp hình ảnh quét S và kết quả quan sát được (biên độ, SNR và chiều cao) của kế hoạch quét 7 khi kiểm tra LOF3 và LOF4 tương ứng. Trong trường hợp mẫu vật 20 mm, hình ảnh quét S bị biến dạng cao, tương tự như kết quả quan sát được trong nghiên cứu trường hợp trước đó về mẫu dày 12,5 mm.

7.4 Siêu âm Phased array DMA cho mẫu 20 mm (scan plan 4)

Bảng 16 và 17 cung cấp hình ảnh quét S và kết quả quan sát được (biên độ, SNR và chiều cao) của kế hoạch quét 8 so với LOF3 và LOF4, tương ứng. Trong nghiên cứu trường hợp này về mẫu vật dày 20 mm, hình ảnh quét S cung cấp định vị chính xác và tỷ lệ nhiễu tín hiệu tốt, tương tự với kết quả quan sát được trong nghiên cứu trường hợp trước đó về mẫu vật 12,5 mm.

Phần 8: Quan sát và so sánh

Bài viết này so sánh kết quả kiểm tra mối hàn từ hai phía với các kỹ thuật kiểm tra một phía trên các mẫu đã chọn và đưa ra kết luận về phương án cho khả năng phát hiện tốt và độ tin cậy cao khi kiểm tra mối hàn tiếp cận từ một phía.

Kết quả kiểm tra mối hàn siêu âm truy cập hai phía (kế hoạch quét 1 cho mẫu 12,5 mm và kế hoạch quét 5 cho mẫu 20 mm) được xem xét và sử dụng làm tham chiếu để so sánh.
Đáp ứng biên độ của LOF giữa mô phỏng và kiểm tra thực tế khác nhau đôi chút do bản chất của LOF (LOF tự nhiên được sử dụng trong các mẫu được chọn, trong khi các mô phỏng sử dụng các khe hình chữ nhật). Nhiễu nền trong kiểm tra thực tế có thể hơi khác so với mô phỏng, nhưng hình ảnh cho thấy chúng tương đương nhau.

Các quan sát tổng hợp cho các mẫu hàn dày 12,5 mm và 20 mm được trình bày ở Bảng 18 và 19.

Phần 9: Kết luận

Trong phạm vi và các thử nghiệm giới hạn của bài viết này, so sánh kết quả kiểm tra mối hàn siêu âm khi có thể tiếp cận từ hai phía với các kỹ thuật sử dụng khi tiếp cận hạn chế từ một phía của mối hàn có kết luận sau:
Công nghệ mảng pha thông thường sử dụng nhiễu xạ ở mức tăng dB so với kết quả tham chiếu của LOF hoàn toàn bị lẫn vào tín hiệu nhiễu và chỉ thị không liên quan. Trên thực tế, tình trạng này có thể dẫn đến giải đoán sai hoặc bỏ sót khuyết tật. Cả hai kịch bản đều có thể và khả năng đánh giá thay đổi tùy thuộc từng mối hàn, độ dày và tính chất vật liệu. Cần thận trọng trong khi sử dụng kỹ thuật này, trừ khi đây là lựa chọn duy nhất.

Công nghệ mảng pha thông thường sử dụng chùm siêu âm chân thứ ba để kiểm tra với mũ mối hàn không đáng tin cậy hơn so với phương pháp ở trên vì tín hiệu từ LOF bị biến dạng cao hoặc bị bỏ sót hoàn toàn do tương tác chùm tia với mũ mối hàn. Trên thực tế, kiểm tra theo phương án này có thể làm nảy sinh nhiều kết quả nhầm lẫn và phương án này nên được sử dụng một cách thận trọng hoặc tránh sử dụng hoàn toàn. Tuy nhiên, cách kiểm tra này sẽ có kết quả tốt hơn nếu mũ mối hàn được mài phẳng và hợp nhất với vật liệu gốc. Chất lượng công việc khi mài mũ mối hàn cũng có thể có ảnh hưởng đến việc đạt được kết quả mong muốn.

Công nghệ mảng pha tiên tiến sử dụng đầu dò mảng ma trận kép với sóng dọc (DMA-TRL) để phát hiện khuyết tật phía bên kia mũ mối hàn là một kỹ thuật rất hiệu quả vì trong nhiều ứng dụng công nghiệp, mối hàn không thể mài phẳng do tính kinh tế hoặc thiết kế. Các phản hồi LOF được định vị chính xác với tỷ lệ nhiễu tín hiệu tốt, do đó giúp kiểm tra và đánh giá mối hàn dễ dàng.

Xu hướng mới sử dụng TFM/FMC

Nhanh chóng, đáng tin cậy và có độ phân giải cao hơn; Kỹ thuật PAUT cung cấp nhiều ưu điểm so với kiểm tra Siêu âm thông thường, là một giải pháp NDT phổ biến phát hiện và đánh giá khuyết tật trong mối hàn tiếp cận một phía và hiện được chấp nhận rộng rãi trong các tiêu chuẩn.

Các kết quả thí nghiệm được tiến hành trên kỹ thuật TFM trên thiết bị OmniScan X3 cho thấy, đôi khi có thể mang lại lợi ích trong kiểm tra mối hàn tiếp cận một phía khi đánh giá kích thước và có giá trị bổ sung hoặc hỗ trợ kỹ thuật cho kiểm tra PAUT. Ví dụ, hình dáng hình học thể hiện tốt hơn có thể giúp hiểu xu hướng phát triển của khuyết tật.

Ở thời điểm hiện tại (tháng 10 năm 2019), với các ứng dụng công nghiệp, TFM chưa được đề cập đến trong các tiêu chuẩn kiểm tra mối hàn. Tuy nhiên, khi lên phương án kiểm tra với TFM, do khả năng self-tandem cũng như Pitch-Catch ở góc độ lớn, TFM cũng sẽ đạt hiệu quả tương tự như sử dụng với đầu dò DMA (góc độ lớn) kết hợp với Phased Array để kiểm tra không ngấu vách.

Là một kỹ thuật kiểm tra NDT hiệu quả và tuân thủ đầy đủ theo các tiêu chuẩn hiện tại, việc sử dụng giải pháp PAUT nên tiếp tục được sử dụng như một kỹ thuật chính để phát hiện và định cỡ khuyết tật khi đánh giá mối hàn tiếp cận một phía. Sử dụng FMC/TFM trên các vị trí phát hiện khuyết tật có thể được sử dụng như một giải pháp giá trị gia tăng để cải thiện độ chính xác của báo cáo.

Một cách tiếp cận phổ biến (trong quá trình chờ các tiêu chuẩn liên quan đến TFM) là quét kiểm tra bằng kỹ thuật PAUT và sau đó nếu phát hiện sự hiện diện của khuyết tật trong khu vực quan trọng và người kiểm tra cho rằng hình ảnh TFM có thể mang lại giá trị nào đó; anh ta có thể thực hiện quét FMC và tạo hình ảnh TFM để thực hiện đánh giá một cách tự tin hơn.

Sản phẩm sử dụng trong bài viết