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VALIDAZIONE MEDIANTE CONTROLLI PAUT

(PHASED ARRAY ULTRASONIC TEST)

G. Amore - CONTROL SNC, Via Attilio Monti 15, 48122 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 181-1 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

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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

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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.

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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

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Fig. 4- placchette in tungsteno Fig. 5- inizio posizionamento placchette in

tungsteno

Fig. 6- posizionamento definitivo Fig. 7- esempio blocco di taratura placchette in tungsteno (calibrazione)

DIMENSIONI DIFETTI SUB-SUPERFICIALI

DIMENSIONI BLOCCO ALTEZZA INSERTO (mm)

LUNGHEZZA INSERTO(mm)

2”x5,54mm 1,5 6

2”x8,74mm 2,5 6

2”x11,07mm 3 6

3”x5,49mm 1,5 6

3”x7,62mm 2 6

4”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

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art. 4 .

DIMENSIONI DIFETTI SUPERFICIALI INTERNI ED ESTERNI

DIMENSIONI BLOCCO ALTEZZA INTAGLI

(mm) LUNGHEZZA INTAGLI(mm)

2”x5,54mm 0,48 6

2”x8,74mm 0,76 6

2”x11,07mm 0,96 6

3”x5,49mm 0,47 6

3”x7,62mm 0,66 6

4”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 :

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

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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

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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.

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Fig. 11- Rappresentazione Tomoview A-B-C-S scan

Fig. 12- Rappresentazione Tomoview A-B-C-S scan difetto interno lato curva

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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

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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

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Fig. 17- Rappresentazione Tomoview A-B-C-S scan intaglio sup. esterno lato curva

Fig. 17- Immagine radiografica difetto interno lato curva

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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.

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Bibliografia

1. ASME 2010, ASME B31.3 Code Case 181 “Use of Alternative Ultrasonic Examination Acceptance Criteria in ASME B31.3”, August 29, 2008

2. 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