Các vấn đề cần chú ý khi lên kế hoạch quét (Scan Plan) trong kiểm tra Phased Array và TFM cho mối hàn

Lịch sử của “Scan plan”

Lập kế hoạch quét là một bước không thể thiếu, nhưng thường bị bỏ qua trong quy trình kiểm tra Phasing Array (PA). Việc lập kế hoạch quét phù hợp dẫn đến kết quả kiểm tra đáng tin cậy, năng suất cao hơn và đảm bảo độ lặp lại nhưng thường có thể khó khăn do tính chất khác nhau của kỹ thuật PA, TFM áp dụng cho các ứng dụng khác nhau.

Việc lập kế hoạch quét cũng đã được đề cập đến rất nhiều trong kiểm tra siêu âm truyền thống, bao gồm:

• Đánh giá đặc tính đầu dò, điểm ra, góc phát, biên độ chùm âm…
• Xác định vùng di chuyển đầu dò (skip distance) với đầu dò góc
• Xác định overlap chùm âm khi kiểm tra siêu âm UT và cần lập bản đồ C-Scan
• Tính toán kích thước chùm âm

Scan plan là gì?

Trước khi thực hiện bất kỳ công việc kiểm tra Phased Array, TFM hay siêu âm AUT nào, một phương án quét cần được thực hiện. Phương án quét này cần được tài liệu hóa, bao gồm các thông tin liên quan đến chiến lược kiểm tra để đảm bảo kết quả có thể lặp lại. Các thông tin này cũng sẽ giúp nhiều trong việc đánh giá và giải đoán dữ liệu sau này. Khi lên kế hoạch kiểm tra mối hàn, vị trí đầu dò và chiến lược thực hiện sẽ ảnh hưởng bởi các yếu tố chính sau:

• Các yêu cầu của tiêu chuẩn (ASME, AWS, API…) cho kiểm tra siêu âm và Phased Array
• Loại vật liệu, Stainless steel, Duplex Steal, Carbon Steel, Dissimilar Metal…
• Yêu cầu của code về độ bao phủ với vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ
• Quy trình hàn đang áp dụng (SMAW, SAW, FCAW…)
• Thiết kế mép vát mối hàn, thiết kế mép cùn, cấu hình mối hàn nói chung
• Các giới hạn trong tiếp cận mối hàn, có thể tiếp cận từ phía ngoài, phía trong, một phía hay cả hai bên mối hàn, độ rộng của mép mối hàn, khoảng cách ngắn nhất có thể đặt đầu dò so với CL.
• Có sử dụng ToFD và các kênh siêu âm truyền thống không?
• Số lượng thiết bị, tốc độ quét cần đạt được, số lần quét tối đa, tốc độ lấy dữ liệu, tốc độ sản xuất…
• Loại thiết bị sẽ sử dụng, giới hạn trên số kênh phát, số kênh tối đa (16:128 hay 32:128 hay 16:64 hay 64:128)
• Các yêu cầu về đánh giá kích thước, tiêu chuẩn chấp nhận đang áp dụng
• Các yêu cầu về đánh giá khuyết tật của tiêu chuẩn đang áp dụng.
• Với một vài tiêu chuẩn, việc sử dụng quét tuyến tính là yêu cầu không bắt buộc.

Khả năng lặp lại của kết quả kiểm tra

Khi kiểm tra Phased Array hay TFM, tính đa dạng của các phương án sẽ tạo ra vấn đề với việc lặp lại, độ ổn định và đào tạo nhân sự cho dự án. Với cùng một mối hàn có thể có nhiều cách để lên phương án quét khác nhau.

Trong khi lên phương án kiểm tra, chúng ta có thể có nhiều lựa chọn khác nhau, bao gồm

• Quét Sectorial Scanning hay E-Scanning hay Composed Scanning?
• Encoded hay Manual
• Số lượng biến tử/Aperture tạo chùm âm
• Số lượng Group/Multi-Channel
• Vị trí hội tụ cho từng Group
• Lựa chọn tần số đầu dò, số lượng biến tử, loại nêm sử dụng…
• Các cân nhắc về độ mở rộng của chùm âm
• Góc phát, góc tới (BIA)

Các thông tin bắt buộc trong khi lên Scan Plan

Để hạn chế các yếu tố thay đổi quá nhiều, trong hầu hết các tiêu chuẩn có quy định các thông số bắt buộc trong Scan plan, bao gồm:

• Chi tiết mối hàn cần kiểm tra, mép mối hàn, mặt cong
• Đầu dò và nêm sẽ sử dụng
• Các phương án Luật hội tụ chùm âm sẽ sử dụng, bao gồm các cài đặt liên quan đến thiết bị
• Thông tin về Index Offset
• Số lần quét, hướng quét
• Trong tiêu chuẩn ASME, các thông tin được đề cập chủ yếu trong Section V Article 4, phần MANDATORY APPENDIX IV cho kiểm tra Phased Array thủ công và MANDATORY APPENDIX V cho kiểm tra Phased Array có sử dụng bộ mã hóa vị trí
• Trong D1.1, các thông tin liên quan đến Scan Plan nằm ở Part G Testing Procedure under Annex S
• Trong API 1104, các thông tin liên quan đến Scan Plan nằm trong các thủ tục Specialized Calibration Requirements

Tuy nhiên, để xây dựng một phương án kiểm tra, thông thường sẽ có 3 thông số chính: Loại mối hàn, Lựa chọn đầu dò, nêm và các Luật phát chùm âm sẽ sử dụng. Các thông tin này có thể được vẽ bằng tay hay sử dụng các phần mềm chuyên dụng như ES BeamTool hay Setup Builder.

Scan Plan cho kiểm tra TFM

Khi phương pháp thu dữ liệu ma trận đầy đủ / lấy nét toàn bộ (FMC / TFM) được giới thiệu trong ngành NDT vài năm trước, nó được coi là một kỹ thuật mang tính cách mạng trong việc tối ưu thời gian và kết quả kiểm tra. Tuy nhiên, ngay cả khi đến gần đây, một số hạn chế và thách thức được làm rõ hơn, đặc biệt là đối với các ứng dụng kiểm tra mối hàn.

Từ việc lựa chọn đầu dò đến thực hiện hiệu chuẩn, người kiểm tra cần đưa ra các lựa chọn quan trọng để thực hiện để xây dựng chiến lược kiểm tra tối ưu tuân thủ đúng yêu cầu của tiêu chuẩn.

Tại thời điểm viết bài (2020), tiêu chuẩn NDT duy nhất có chứa các quy định áp dụng cho FMC hoặc TFM là ASME (BPVC). Mục V, Điều 4 (2019), bao gồm các phụ lục sau:

• Mandatory Appendix XI Full Matrix Capture (FMC)
• Nonmandatory Appendix F Examination of Welds Using Full Matrix Capture (FMC)
• Specific personnel requirements and a training outline in Sec. V, Article 1

Khi kiểm tra mối hàn, phương án quét tuân thủ code yêu cầu chế độ đa nhóm bởi các nguyên nhân như sau:

• Tiêu chuẩn đề cập việc chỉ sử dụng tia trực tiếp 2T hay 2L không đủ để cung cấp phạm vi bao phủ toàn bộ mối hàn.
• Trong quá trình hiệu chuẩn, xác nhận đường truyền có yêu cầu sử dụng through-wall slot, xuyên suốt từ mặt trên tới mặt dưới của mẫu kiểm tra.

Thông thường, những người kiểm tra đã quen làm việc với PAUT cố gắng để tạo ra kết quả tương ứng với các chế độ sectorial scan tiêu chuẩn sử dụng một nhóm 2T wave set và đặt chiều dày lên gấp đôi để có chế độ tương đương với 4T. Đây không phải là cách thực hiện tối ưu do cấu hình này với 2 chế độ sóng không thể phát hiện được toàn bộ through-wall slot trên mẫu hiệu chuẩn.

Để đạt được phương án tuân thủ code, cấu hình multigroup cần được sử dụng, trong đó có chế độ sóng self-tandem như 3T và 5T. Sử dụng thiết bị như OmniScan X3 có thể có dữ liệu đồng thời từ 4 group mà không làm ảnh hưởng đến Độ trung thực biên độ và độ phân giải.

Trong hình trên, với phương án sử dụng đầu dò 5L64-A32 đặt trên mẫu calibration block ở vị trí có through-wall slot. Có thể thấy để có độ phủ tốt cho toàn bộ slot, cần sử dụng 2 chế độ bổ sung là 3T và 5T self-tandem mode ngoài 2 chế độ 2T và 4T. Hình ảnh và dữ liệu thuộc về K. Shane Walton (University of Ultrasonics).

Các chú ý khi lên phương án kiểm tra

• Giống như PAUT, kiểm tra TFM cho mối hàn chiều dày lớn yêu cầu nhiều Index offset để có thể bao phủ toàn bộ vùng mối hàn.
• Do ảnh hưởng lớn của chênh lệch chiều dày tới tín hiệu TMF, chiều dày của mẫu hiệu chuẩn không nên vượt quá ± 5% chiều dày của mẫu kiểm tra.