Phased Array y Nuevas Alternativas para la Inspección de Tuberías de Diámetros Pequeños

Autores: Mejías Karla. León Dalia. Pérez Luis. Torres Víctor. Unidad de Ensayos no Destructivos, Análisis de Fallas y Corrosión de Materiales.  Centro de Tecnología de los Materiales. FIIIDT. 

 

Las aplicaciones de la técnica de ultrasonido Phased Array (PA) o arreglo de fases hace mucho dejaron de utilizarse solo en el diagnóstico médico. En las últimas décadas, esta técnica avanzada de inspección ultrasónica se ha ampliado al uso en los entornos industriales para proporcionar nuevos niveles de información y visualización en las pruebas ultrasónicas comunes que incluyen la inspección de soldaduras, pruebas de adhesión, medición de espesores y detección de fisuras o grietas.

En los años 70 los investigadores comenzaron a desarrollar sistemas de ultrasonidos con Phased Array, éstos empleaban múltiples transductores de fuente puntual, denominados matriz, que se pulsaban para dirigir el haz de sonido por medio de patrones de interferencia controlada.

Una matriz es un arreglo organizado de grandes cantidades de elementos (piezo-compuestos). La forma más simple de una serie de ultrasonidos para END sería una serie de varios transductores individuales dispuestos de tal manera de aumentar la cobertura de inspección [1]. Básicamente, un sistema de Phased Array incorpora transductores con elementos múlti- cristales con un control por computadora de cada elemento en lo que respecta al tiempo, para obtener imágenes de tiempo real y simplificar el método de ensayos no destructivos, permitiendo ser capaz de manejar las sondas con varios elementos, recibir y digitalizar los ecos de retorno, y trazar (dibujar) la información en los diversos formatos estándar. A diferencia de los palpadores convencionales, los sistemas de ultrasonido Phased Array pueden barrer un haz de sonido a través de una gama de ángulos refractados o a lo largo de una trayectoria lineal, o enfocarse dinámicamente en diferentes profundidades, lo que aumenta la flexibilidad y la capacidad de las configuraciones de inspección, nótese la figura 1.

Figura 1. Ventajas del uso de palpadores de Phased Array vs uso de palpadores Convencionales. Fuente [2]: Cursillo de Ultrasonido de Phased Array, Olympus.

La mayor ventaja de los instrumentos de arreglo de fase es la posibilidad de configurar un grupo definido de elementos con el generador de impulsos programados y los retrasos de recepción, a lo que se le conoce como Ley Focal [1]. El instrumento forma imágenes mediante la secuencia de las leyes focales, con un emisor de impulsos diferentes y los retrasos del receptor a través de la apertura del mismo. Puede notarse en la figura 2 que dicho software, conocido como la calculadora de Ley de Coordinación, establece tiempos específicos para la demora de disparo de cada grupo de elementos con el fin de generar la forma del haz deseado a través de la interacción de onda, teniendo en cuenta las características de la sonda y la cuña, así como la geometría y las propiedades acústicas del material de ensayo.

Focalización


Figura 2. Orientacion del haz, según los retardos calculados con la Ley de Coordinacion. Fuente: [2] Cursillo de Olympus.

             Debido a la naturaleza multi-elemento de los instrumentos de PA, existen otras especificaciones claves que requieren mayor consideración y revisión:

  • La cantidad de emisores definirá el número máximo de elementos que se pueden agrupar para formar una apertura activa o la apertura de la sonda virtual, para Phased Array consisten en un conjunto de transductores de 16 a un máximo de 256 elementos pequeños individuales, cada uno de los cuales puede ser pulsado por separado.
  • El número de receptores definirá el total de elementos que pueden ser utilizados para la secuenciación de aperturas que lleva al aumento potencial de la cobertura de una huella única de sonda.
  • En Phased Array existen varios métodos de presentación de datos utilizados en la inspección ultrasónica, como el análisis sectorial y lineal, esto se obtiene con los instrumentos de arreglo de fase que tienen la capacidad de apilar modos de imagen para crear amplitud y profundidad. Por ejemplo en la vista S-scan angular que podemos observar en la figura 3, donde las imágenes planas se formen y así proporcionar datos del tamaño defecto.

Figura 3. Vista S-scan angular con Phased Array. Fuente: [2] Cursillo de Ultrasonido Phased Array de Olympus.

Phased Array se ha convertido en el método de reemplazo más reconocido para los procesos de inspección. En el pasado, los procesos de inspección basados en normas / estándares seguían generalmente casos o anexos normativos, pero debido a su uso creciente y aceptación en el ámbito industrial, los procesos de inspección por ultrasonido están siendo incluidos al cuerpo principal de las normas (p.ej ASME Sec.) V. Art. 4 a partir de la edición 2010.

Los equipos que emplean Técnicas Avanzadas de Ultrasonido Multi- elemento (Phased Array), son cada vez más portátiles, rentables y fáciles de usar, lo cual convierte la tecnología de ultrasonido en una alternativa práctica en la industria. La mayoría de estos equipos poseen sistemas que permiten al software operativo calcular los parámetros ultrasónicos para cada combinación de soldadura y tubería, facilitando la elaboración de planes de inspección fáciles de seguir. El operario puede escanear la soldadura con un escáner codificado, utilizando Phased Array, estos datos de inspección se trasmiten a un ordenador de revisión mediante parámetros de protocolo, que permite la utilización de herramientas de análisis avanzadas. Los sistemas de detección combinan un software y hardware para facilitar la inspección de conformidad con estándares establecidos de forma fiable y rápida a cargo de los inspectores especializados.

Existen muchas corporaciones que han desarrollado una cantidad de equipos basados en la técnica avanzada de ultrasonido Phased Array, para la inspección de soldaduras circunferenciales en tuberías de diámetro pequeño. Entre estas compañías es relevante mencionar la Corporación Japonesa Olympus  [3], que  desarrolló un escáner manual Cobra como se puede observar en la figura 4, que combinado con el detector de defectos OmniScan de Phased Array es usado para inspeccionar soldaduras circunferenciales en tuberías de diámetro pequeño con características únicas en lo que respecta a su geometría. El escáner puede albergar hasta dos sondas de PA para inspeccionar tuberías con diámetros de 21,3 mm a 114,3 mm, todo esto es gracias a su diseño tan delgado, que permite examinar tuberías en áreas de acceso limitado con una separación mínima tomando en cuenta los obstáculos adyacentes, tales como soportes, tuberías y estructuras, debido a que puede ingresar en espacios de hasta 12 mm.

El escáner Cobra asegura una presión estable, constante y fuerte; brindando óptimas señales de ultrasonido y una codificación precisa alrededor de la circunferencia total de la tubería, está   elaborado para adaptarse a la superficie de mediante múltiples enlaces a las tuberías de acero al carbono y acero inoxidable que presentan varios diámetros. Esta característica única permite instalar y operar el escáner a partir de un lado del eje de la tubería, adquiriendo datos precisos.

También podemos mencionar al Grupo Tecnatom que ha desarrollado una técnica de inspección empleando la tecnología Phased Array, que permite minimizar el tiempo de inspección para la detección de defectos paralelos y perpendiculares en las soldaduras circunferencias de tuberías de acero al carbono de diámetros comprendidos entre 50 mm y 100 mm, con espesor de pared entre 5 y 8 mm, restricción en la altura libre de componentes y el acceso a la soldadura de uno o dos lados [4].

Igualmente, Metalscan, una de las filiales francesas del Grupo Tecnatom, ha desarrollado un nuevo equipo que utiliza la técnica avanzada PA, brindando una solución compacta que se adapta con suma facilidad a cualquier tipo de geometría de las tuberías, tanto en diámetro como en el espesor de paredes. Con ese nuevo diseño de un sistema automático, brindan una solución que no necesita tantos ajustes mecánicos, reduciendo ampliamente los tiempos de calibración y permitiendo una inspección precisa de las soldaduras a la vez que se aumenta la eficiencia del proceso [5].

Figura 4. Escáner manual Cobra combinado con el detector de defectos OmniScan de Phased Array. Fuente: [3]

Las ventajas de estas inspecciones con los equipos antes mencionados radica en que generalmente en el caso de reparaciones de haces tubulares, tradicionalmente se empleaba el método de ensayo por radiografia con fuentes de Ir-192. Dado el pequeño diámetro de la tubería (menor de 50,8 mm) se podía emplear dos tipos de técnicas radiográficas:

  1. Técnica de doble pared – doble imagen (proyección elíptica).
  2. Técnica de doble pared – doble imagen (proyección plana).

En ambos casos se exige la colocación de la fuente radiactiva separada del tubo y en distintas posiciones, evidenciando que la falta de separacion entre tuberias y la falta de acceso, en muchas ocasiones afecta la inspección, porque tan solo se puede realizar una única radiografía por soldadura, no pudiendo ensayar todo el volumen de la misma, ni garantizar su integridad.

Por ello como alternativa, se puede emplear estos sistemas que combinan la técnica de Phased Array con un conjunto de palpadores y escaner manual de muy pequeño tamaño que permite ensayar el volumen completo de este tipo de soldaduras.

La industria de END y la industria en general han adoptado la técnica avanzada de Phased Array, convencidos que es una tecnología segura, confiable y se obtienen datos de alta precisión y registros automáticos de datos obtenidos. Estos datos quedan archivados de forma automática y además se pueden elegir distintos formatos de representación gráfica.

En el laboratorio de Ensayos No Destructivos de la FIIIDT se cuenta con el equipamiento y accesorios necesarios para la aplicación de esta técnica avanzada en tuberías de distintas dimensiones, además se ha trabajado en el diseño de mecanismos que permitan la inspección de tuberías de pequeños diámetros con los recursos que tenemos a disposición. En todo caso, estamos en la capacidad de ofrecer servicios que garanticen la calidad de soldaduras en tuberías con el uso de un sistema seguro y de alta confiabilidad.

Bibliografía

  1. Phased Array Testing Basic Theory for Industrial Applications. Disponible en: https://www.olympus-ims.com/en/books/pa/pa-testing/

 

Contacto: karlamejiasb@gmail.com @gmail.com; torrespvictorj@gmail.com