Kiểm tra siêu âm mảng pha với đầu dò PAF hỗ trợ phân giải kích thước dài của khuyết tật giúp làm giảm tỷ lệ đánh hỏng

Hầu hết các thí nghiệm khi xác nhận tham số thiết lập cho kiểm tra siêu âm được thực hiện trên các khối chuẩn hoặc mẫu phẳng mặc dù việc kiểm tra thực tế thường được tiến hành trên các bề mặt cong. Do chùm tia bị ảnh hưởng bởi bán kính cong tại các bề mặt khác nhau (ví dụ: mặt cong nêm và bề mặt vật kiểm tra), phản ứng của tín hiệu siêu âm đối với bất liên tục đo trên tấm phẳng có thể khác hoàn toàn với tín hiệu đo được trên ống cong. Để giải quyết thách thức này, Olympus đã phát triển một loạt các nêm lấy nét trục thụ động (PAF).

Khi một chùm siêu âm lan truyền qua một bề mặt cong, giao diện hoạt động như một thấu kính hội tụ hoặc phân kỳ phụ thuộc vào tỷ lệ vận tốc trung bình. Trong hầu hết các ứng dụng NDT điển hình, siêu âm chuyển từ môi trường tốc độ thấp (như nêm Rexolite) sang môi trường tốc độ cao (như thép carbon) qua giao diện lồi như bề mặt bên ngoài ống. Điều này dẫn đến hiệu ứng thấu kính phân kỳ làm cho chiều rộng chùm tia mở rộng ra. Các hình ảnh bên dưới (xem Hình 1) minh họa mô phỏng chùm tia (sử dụng phần mềm CIVA), cho thấy sự khác biệt giữa chùm tia trong trục thụ động trên bề mặt phẳng (trái) và tương đương khi đi vào bề mặt đường kính ngoài (4,5 in OD). Môi trường thứ nhất là Rexolite (tốc độ song dọc 2330 m / s) và môi trường thứ hai là thép carbon (tốc độ sóng ngang 3240 m / s).

Hình 1 Giả lập chùm âm trên bề mặt phẳng (trái) và trên ống 4.5 in. OD (phải)

Như được minh họa trong Hình 2, bề mặt bên trong (ID) của ống đóng vai trò là một thấu kính phân kỳ khác, mở rộng chùm tia hơn nữa.

Hình 2 Đường biên mở rộng chum âm với nêm tiêu chuẩn (trái) và nêm hội tụ PAF (phải)

Tầm quan trọng của chiều rộng chùm tia để đo chiều dài theo trục quét

Trong hầu hết các ứng dụng NDT, bao gồm kiểm tra mối hàn vòng, hướng quét nằm dọc theo trục thụ động của đầu dò mảng pha và phép đo độ dài khuyết tật được thực hiện bằng bộ mã hóa vị trí quét. Phương pháp định cỡ dựa trên biên độ được sử dụng phổ biến nhất là kỹ thuật giảm 6 dB. Ưu điểm của phương pháp này là chiều dài khuyết tật không bị ảnh hưởng bởi chiều rộng chùm tia. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng nếu khuyết tật dài hơn chiều rộng chùm tia. Chiều dài đo được của khuyết tật ngắn hơn chiều rộng chùm tia sẽ tương ứng với chiều rộng của chùm tia. Ví dụ, chỉ thị ngắn nhất đo được khi sử dụng chùm âm 5 mm là dài 5 mm. Điều này có nghĩa là tất cả các chỉ thị nhỏ hơn 5 mm sẽ được đo là 5 mm.

Đầu dò siêu âm phased array hội tụ

Các đầu dò mảng pha tiêu chuẩn được thiết kế với các phần tử phẳng vì tính đơn giản và linh hoạt của chúng. Một số đầu dò được thiết kế đặc biệt để kiểm tra đường kính nhỏ hơn có các biến tử cong (chẳng hạn như độ cong lõm trong đầu dò [CCEV]) để làm giảm sự phân kỳ của chùm âm xảy ra tại các mặt giao tiếp. Tuy nhiên, giá trị độ cong này là cố định và do đó, không được tối ưu hóa cho một phạm vi đường kính rộng.
Nêm tập hội tụ chùm âm phased array

Olympus đã phát triển và được cấp bằng sáng chế [US9952183] một công nghệ nêm cho phép tập trung chùm tia và được tối ưu hóa cho từng đường kính ống cụ thể. Sê-ri nêm tập hội tụ thụ động (PAF) được làm bằng hai vật liệu có vận tốc âm khác nhau, nhưng có trở kháng tương tự nhau. Giao diện giữa các vật liệu được thiết kế có công dụng như một thấu kính hội tụ. Bề mặt trên của nêm phẳng, cho phép sử dụng với bất kỳ đầu dò tiêu chuẩn nào. Nêm PAF cho các đường ống nhỏ có bán kính thấu kính nhỏ hơn và cho hiệu ứng hội tụ nhiều hơn hơn trong khi nêm cho ống đường kính lớn hơn được trang thấu kính có đường kính lớn hơn.

Hình 3 Nêm hội tụ theo trục thụ động (PAF)

Kết quả thí nghiệm

Hai mẫu được sản xuất với các lỗ xuyên dọc đường kính với kích thước 1 mm được gia công ở các khoảng cách khác nhau. Các mẫu và nêm sử dụng trong Hình 4. Mẫu đầu tiên là một tấm phẳng (bên trái) và mẫu thứ hai là một nửa ống (bên phải) với đường kính ngoài 4,5 in. Một nêm Rexolite tiêu chuẩn (SA31-N55S- IHC) với mặt đáy phẳng được sử dụng để thu thập dữ liệu trên mẫu và hai nêm khác có mặt đáy cong khớp với đường kính của nửa ống được sử dụng để thu thập dữ liệu trên mẫu cong. Một trong những nêm cong là nêm Rexolite tiêu chuẩn (SA31-N55S-IHC-AOD4.5), và cái còn lại là một nêm hội tụ theo trục thụ động PAF (SA31-N55S-PAF18-AOD4.5) với bán kính của thấu kính hội tụ là 18 mm.

Hình 4 Mẫu phẳng với nêm phẳng tiêu chuẩn (trái) và mẫu ống với nêm cong COD và nêm hội tụ PAF (phải)

Mục tiêu của thí nghiệm là đo chiều rộng chùm tia thu được bằng ba nêm khác nhau bằng cách sử dụng phản xạ bẫy góc của các lỗ xuyên qua trên ID (tia trực tiếp) và OD (chân thứ hai) bằng kỹ thuật giảm 6 dB.

Thiết lập siêu âm tương tự đã được sử dụng cho cả ba nêm: quét tuyến tính ở góc khúc xạ 55 độ (góc tự nhiên của nêm) với sóng ngang sử dụng tám 8 biến tử trên đầu dò 5L32-A31. Các đặc điểm chi tiết của đầu dò như sau:

  • 32 elements
  • 0.6 mm pitch
  • 19.2 mm active area
  • 10 mm elevation

Hình 5 cho thấy mối quan hệ giữa chế độ hiển thị C-scan, chế độ S-scan và biểu diễn chùm tia (ray tracing). Ở bên trái, chế độ hiển thị trên phần mềm NDT SetupBuilder cho thấy các chùm tia thấp hơn chạm vào bẫy góc OD sau khi phản xạ trên mặt đáy và các chùm tia cao hơn chạm vào bẫy góc ID. Trong chế độ hiển thị S-scan (giữa), bẫy góc ID xuất hiện cao hơn bẫy góc OD vì nó xuất hiện sớm hơn. Trên chế độ hiển thị C-scan (bên phải), các bẫy góc OD và ID được thể hiện chồng lên nhau cho mỗi lỗ khoan xuyên thấu theo hướng quét.

Hình 5: Biểu diễn sự liên quan giữa hình ảnh C-scan, S-scan, và ray-tracing

Bộ dữ liệu đầu tiên này (xem Hình 6) đã được thu thập với nêm tiêu chuẩn trên tấm phẳng. Mặc dù các vật phản xạ không hoàn toàn đồng nhất, các bẫy góc khác nhau của bảy lỗ khoan có thể dễ dàng xác định được. Biên độ trên các chỉ thị ID và OD là tương tự nhau. Sử dụng kỹ thuật giảm 6 dB, độ rộng chùm tia đo được là 5,0 mm trên ID và 4,1 mm trên OD. Các kết quả được tóm tắt trong Bảng 1.

Hình 6: Biểu diễn A-scan, S-scan, và C-scan của dữ liệu thu được trên tấm phẳng và nêm phẳng tiêu chuẩn

Hình 7 cho thấy tập dữ liệu thứ hai có được với nêm cong COD tiêu chuẩn trên mẫu nửa ống có đường kính ngoài 4,5 in. Biên độ tín hiệu và biểu diễn khuyết tật trong chế độ quét C bị suy giảm so với kết quả trước đó. Rất khó để xác định số lượng chỉ thị riêng biệt có trong mẫu. Chiều rộng chùm tia được đo là 5,7 mm trên ID và 7,5 mm trên OD. Độ rộng chùm tia 7,5 mm biểu thị rằng tất cả các chỉ thị được đo sẽ có chiều dài ít nhất 7,5 mm. Theo một số tiêu chuẩn phổ biến như ASME B31, trong đó chiều dài khuyết tật tối đa chấp nhận được là 6 mm hoặc 6,4 mm tùy theo các trường hợp khác nhau, tất cả các chỉ dẫn được phát hiện với thiết lập này sẽ bị đánh hỏng (Reject).

Hình 7: Biểu diễn A-scan, S-scan, và C-scan của dữ liệu thu được trên mẫu ống và nêm 4.5 in COD.

Lần quét thứ ba và cuối cùng (xem Hình 8) đã được thực hiện với nêm PAF trên mẫu nửa ống có đường kính ngoài 4,5 in. Chế độ hiển thị C-scan được cải thiện rất nhiều so với nêm cong tiêu chuẩn (xem Hình 8). Hơn nữa, hình ảnh tổng thể thậm chí còn sắc nét hơn so với hình ảnh thu được trên tấm phẳng. Chiều rộng chùm tia đo được là 3,5 mm trên ID và 4,2 mm trên OD.

Hình 8: Biểu diễn A-scan, S-scan, và C-scan của dữ liệu thu được với nêm PAF trên ống cong 4.5 in. OD

Bảng 1 – Tổng hợp đo kích thước chùm âm

Các ảnh hưởng khác của thấu kính tới tín hiệu siêu âm

Vật liệu được sử dụng để tạo hiệu ứng thấu kính trong nêm PAF được chọn với trở kháng càng gần với Rexolite để tránh nhiễu tín hiệu trong lớp trên cùng nhưng có sự khác biệt nhỏ về tốc độ âm để cho phép chùm tia hội tụ.

Thử nghiệm được tiến hành để xác định mức chênh lệch biên độ giữa loạt nêm PAF mới và loạt nêm tiêu chuẩn khi biên độ chỉ thị được đặt ở một mức cụ thể. Quá trình quét được thực hiện với cả hai nêm tiêu chuẩn và PAF bằng cách sử dụng chế độ hỗ trợ 250% màn hình trong trình phát hiện khuyết tật với OmniScan ™ MX2 trên hai lỗ của mẫu Halfpipe. Trong xử khi giải đoán dữ liệu, mức độ nhạy đã được điều chỉnh để đưa chiều cao biên độ phản hồi lên 80% chiều cao toàn màn hình. Bảng 2 trình bày các giá trị khuếch đại cuối cùng tính bằng decibel cho mỗi chỉ số và kết hợp nêm. Lưu ý rằng mức tăng cần thiết với nêm PAF thấp hơn mức tăng cho nêm tiêu chuẩn, vì năng lượng được tập trung hơn.

Bảng 2 – Biên độ khác nhau giữa nêm cong tiêu chuẩn và nêm PAF

Kết luận

Thí nghiệm đã chứng minh rõ ràng tác động tiêu cực của độ cong mẫu với khả năng phân giải kích thước theo chiều dài. Nhờ nêm PAF mới, sự phân kỳ chùm tia gây ra bởi độ cong bên ngoài của mẫu kiểm tra có thể được bù lại bằng cách sử dụng một giải pháp đơn giản tương thích với các đầu dò mảng pha tiêu chuẩn hiện có. Do chiều rộng chùm tia nhỏ hơn, loạt nêm PAF mới có thể đo các khuyết tật nhỏ hơn và cung cấp hình ảnh sắc nét hơn để đơn giản hóa việc giải đoán dữ liệu và giảm tỷ lệ đánh hỏng hay loại bỏ mẫu.

Tài liệu tham khảo

Patent Registration Data: Publication Number: US9952183.
Application Number: US14/851739