SAFAP 2012, Napoli 14-15 giugno ISBN 978-88-7484-230-8

Controlli con tecnica UT Phased Array su saldature di tubi di piccolo diametro e spessore

F. Brini(*); G. Casciato(**); C. De Petris(*); U. Giosafatto(***); C. Mennuti(*)

(*) INAIL - Settore Ricerca, Certificazione Verifica (**) ENEL S.p.A.

(***) CND Service S.r.l.

Sommario Il controllo UT con tecnica Phased Array (UT-PA), è supportato già da svariate esperienze e letteratura di riferimento per saldature di componenti ad elevato spessore. L’innovazione tecnologica consente oggi all'industria di estendere il controllo su tubazioni anche di piccolo diametro e spessore. Il lavoro presenta le esperienze ed i risultati di un’attività di qualificazione della metodica basata sul controllo UT-PA delle saldature di tubazioni con spessori compresi tra 4 e 10 mm, in acciaio-legato e diametri compresi tra 40 e 60 mm utilizzando attrezzature specifiche di tipo industriale. I campioni esaminati sono caratterizzati dalla presenza di discontinuità derivanti dalla realizzazione di saldature in campo e/o artificiali. Scopo dell’attività è la ricerca dei limiti applicativi del controllo Phased Array per spessori ridotti e la verifica dell’attendibilità delle valutazioni di indicazioni rilevate per confronto con quelle tratte dal controllo RT tradizionalmente previsto. 1 La tecnica Phased Array La tecnica UT-PA convenzionale (indicata anche come “manuale”) è nota e praticata da decenni, e permette di evidenziare e dimensionare difetti presenti nello spessore della zona ispezionata; la prerogativa del controllo è la possibilità di focalizzare elettronicamente il fascio di ultrasuoni e creare leggi focali che consentano la scansione con diversi angoli di incidenza (range tipico d’ispezione tra 45° e 70°). Ovviamente con la tecnica manuale è dipendente dalle capacità dall’operatore e non è possibile una registrazione dei risultati. Per ovviare a queste deficienze, è stato recentemente maturato un ulteriore sviluppo tecnologico che consente l’utilizzo di sistemi semi-automatici denominati Automated Ultrasonic Testing (AUT) che nel concreto, permettono una scansione con un encoder lineare rendendo il controllo più veloce, la registrazione delle immagini con la posizione e la dimensione delle indicazioni rilevate ed una misura teoricamente riproducibile. 2 La problematica Normalmente un saldatore qualificato riesce a realizzare anche 20 saldature di tubi del fascio tipo rappresentato in fig. 1 nell’arco di un turno di lavoro. Per altro, in fase di fabbricazione più operatori possono lavorare in parallelo a breve distanza sullo stesso scambiatore ottenendo una performance di produzione molto elevata. E’ quindi del tutto evidente che i controlli non distruttivi sulle saldature debbano corrispondere caratteristiche di elevata efficienza diagnostica con una velocità di esecuzione altrettanto elevata. Sotto questo profilo, quindi, il controllo radiografico, tradizionalmente previsto, non concilia assolutamente tali esigenze per ovvi motivi di ingombro, di rapidità e di tutela della salute sotto il profilo sanitario degli addetti. Infatti il controllo RT in fase di esecuzione inibisce il lavoro contemporaneo degli altri operatori di saldatura e non consente la progressione continua delle stesse attività di saldatura, per ragioni di ingombro, se prima non sia stata verificata l’accettabilità del giunto precedente.

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Fig. 1 – Vista della fase di esecuzione di saldautre dei raccordi di un fascio tubiero.

Inoltre, a volte, per inaccessibilità o per la specificità delle tecniche radiografiche utilizzate (per controllare questa tipologia di saldatura solitamente si utilizza necessariamente la tecnica con proiezione ellittica), ci si limita ad una sola esposizione anziché due come sarebbe necessario. E’ quindi elevato il rischio di non rilevabilità di discontinuità sulla vista di circa il 50% dello sviluppo del cordone dove è solitamente più probabile la loro concentrazione per la difficile manovrabilità dell’operatore in esecuzione del processo di saldatura. Nella fig. 2 si riporta il tipico caso di indicazioni difficilmente rilevabili con una sola esposizione.

Fig. 2 – Radiografie di giunti saldati di tubi in doppia parete.

3 Normativa di riferimento Il codice dominante per la disciplina del controllo per la saldatura in costruzione è l’ASME. Nello specifico quelle relative alle tubazioni di alimentazione fanno riferimento alla sezione

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ASME B31.1, mentre per quelle di processo alla B31.3. Entrambi i codici consentono l’utilizzo degli ultrasuoni in generale, e in particolare AUT. Nel’ASME B31.1, nello specifico, viene presentato un Code Case 179 [1] che fa riferimento ad un procedimento AUT con richiamo ai criteri di accettabilità di lavorazione. La sezione B31.3, invece, propone il Code Case 181 [2], che, sia pur facendo riferimento a processi AUT, richiama concetti di meccanica della frattura per quanto concerne i criteri di accettabilità. I codici che prevedono l’AUT in ASME hanno tutti caratteristiche simili per alcuni aspetti. Tutti richiedono:

calibrazione completa;

una scansione con encoder con registrazione dei dati,

una procedura scritta o un Piano di Scansione per mostrare la copertura,

alcuni vincoli su parametri come la velocità di scansione, sovrapposizione del fascio,

operatori qualificati. I codici di ispezioni per tubi di piccolo diametro sono solitamente derivati dal Code Case ASME 2235-9 [3], che permette di utilizzare gli ultrasuoni in alternativa alla radiografia. Rimane la limitazione che, in ogni caso, tutta la normativa ASME dedicata, le prove e i Code Case prevedono l’applicabilità del controllo PA in sostituzione del controllo RT solo per spessori da 13 mm in su. 4 Attività sperimentale Per le ragioni sinteticamente illustrate è stata avviata una attività di ricerca allo scopo di verificare e validare il controllo PA su giunti saldati di tubi in acciai al carbonio basso legati (tipo T12, 22 e 24) e/o martensitici di ultima generazione (tipo P91 e P92) di piccolo diametro e spessori minimi da 4 mm. La procedura di riferimento prevede l’utilizzo di due sonde PA da 7,5 MHz a profilo basso per realizzare un focusing ottimizzato per la rilevazione di discontinuità in tubi con pareti sottili. Nel dettaglio, le sonde utilizzate sono dotate delle seguenti principali caratteristiche tecniche:

frequenza di 7,5 MHz,

16 elementi con pitch di 0,5 mm,

altezza sonda 10 mm, abbinabili a zoccoli sagomati per diametri tra 20 e 114,3 mm,

angolo rifratto nominale di 60°. Lo scopo principale del lavoro era quello di verificare la sensibilità delle sonde utilizzate e la potenzialità diagnostica della tecnica PA su spessori minori di 13 mm per gli acciai su menzionati in carbonio basso legati e/o martensitici di ultima generazione. L’automatizzazione della tecnica è stata realizzata con uno scanner semiautomatico di produzione Olympus noto con il nome commerciale di COBRA. L’appellativo del sistema è tratto, come rilevabile dall’osservazione del dispositivo, dalla sua configurazione che lo rende molto simile per aspetto al rivestimento del rettile che lo richiama. Esso consente l’allestimento di una sonda molto sottile dalle caratteristiche su indicate e con un ingombro radiale assolutamente contenuto. Questa caratteristica lo rende particolarmente efficace per il controllo di saldature su tubi il cui, come in questo caso, è fortemente ridotto (12 mm di luce). E’ stata verificata una buona capacità di adattamento delle due sonde contrapposte e degli encoder alla superficie dei tubi.

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Fig. 3 – Vista dello scanner automatizzato COBRA della Olympus e di dettaglio delle sonde PA impiegate nel corso dell’attività di qualificazione della metodica.

4.1 Campioni con incisione Per i tubi di piccolo spessore, la difficoltà maggiore per l’utilizzo dell’AUT è il numero di blocchi di calibrazione richiesti. Per tale motivo, per verificare il sistema, sono stati realizzati due campioni con difetti realizzati per elettroerosione con le seguenti caratteristiche: Campione (a) rappresentato in fig. 3a

Acciaio grado P91

diametro 61 mm

spessore 4 mm

incisione interna: lunghezza = 5 ± 0,10 mm; larghezza= 0,15 ± 0,02 mm; profondità= 0,40 ± 0,05 mm;

incisione esterna: lunghezza = 5 ± 0,10 mm; larghezza= 0,15 ± 0,02 mm; profondità= 0,40 ± 0,05 mm (inclinato di 30° rispetto l’asse di saldatura);

Campione (b) rappresentato in fig. 3b

Acciaio grado P11

diametro 57 mm

spessore 4 mm

incisione interna: lunghezza = 5 ± 0,10 mm; larghezza= 0,20 ± 0,03 mm; profondità= 0,50 ± 0,03 mm (inclinato di 30° rispetto l’asse di saldatura);

incisione esterna: lunghezza = 5 ± 0,10 mm; larghezza= 0,20 ± 0,03 mm; profondità= 0,50 ± 0,03 mm (inclinato di 30° rispetto l’asse di saldatura);

Questi campioni sono stati sottoposti preventivamente a controlli radiografici con approcci simili a quelli realizzabili in campo, ovvero con proiezione ellittica, ed in posizione tale che l’incisione fosse disposta nella posizione più sfavorevole per la rilevazione. La fig. 4 riporta l’immagine radiografica ottenuta per il campione (b) di tubo in questione utilizzando un tubo radiogeno da 160 kV e con esposizione a singola parete dalla quale l’incisione per elettroerosione risulta ben evidenziabile. Lo stesso campione è stato quindi indagato con la sonda PA da 7,5 kMHz in dotazione al sistema COBRA ottenendo le viste S-scan riportate nelle fig. 5 e 6. L’S-scan permette una immediata individuazione delle eventuali indicazioni grazie alla pallet dei colori che è collegata all’ampiezza del segnale misurata. Ovviamente la pallet può essere

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personalizzata per tenere conto della soglia di rilevazione stabilita nella procedura. Nel nostro caso con il colore rosso sono evidenziati le indicazioni non accettabili. L’ultima prova con i campioni indicati è stata realizzata con l’AUT, ed il risultato è visualizzato nella fig. 7. In tutti i casi, sia con la tecnica PA che con la AUT, l’indicazione ottenuta porta ad evidenziare la presenza di un difetto.

Fig. 4 – Immagine radiografica del campione (b) con incisione da elettroerosione.

4.2 Campioni con difetti reali Per verificare l’affidabilità diagnostica della tecnica AUT ai fini della qualificazione, sono stati realizzati tre campioni con difetti reali:

nido di tarli e soffiature (campione A1);

insellamento (campione A2);

mancanza di fusione (campione A3). Su questi campioni sono state effettuate alcune radiografie al fine di creare un termine di paragone oggettivo circa la loro posizione, forma, dimensione ed orientamento. Le immagini radiografiche di fig. 8a ed 8b (realizzate con proiezione ellittica, doppia esposizione) identificano i difetti nei tre campioni. Dall’analisi delle immagini di fig. 8b è facilmente riscontrabile come la proiezione del tubo ruotato di 90° rispetto a quella

Fig. 3a - Campione (a) utilizzato per la verifica della

sensibilità Fig. 3b - Campione (b) utilizzato per la verifica della

sensibilità

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precedente di fig. 8a renda del tutto evidente l’impossibilità di individuare i difetti se questi non sono disposti a vantaggio dell’osservazione.

Fig. 5a - Acquisizione PA incisione interna. Fig. 5b - Incisione interna.

Fig. 6a - Acquisizione PA incisione esterna. Fig. 6b - Incisione esterna.

Fig. 7- Incisione da elettroerosione rilevata con il sistema AUT.

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Le prove con le sonde PA effettuate su questi campioni hanno, di contro, palesato la presenza dei difetti, a prescindere dalla loro connotazione ed indipendentemente dalla loro collocazione radiale. In particolare le fig. 9, 10 e 11 evidenziano le immagini settoriali (S-scan) ottenute con tecnica PA ed i relativi C-scan ottenuti con la stessa tecnica assistita AUT prodotta dall’utilizzazione dello scanner semiautomatico COBRA.

Fig. 8a – Immagine radiografica del tubo in prima

proiezione. Fig. 8b – Immagine radiografica del tubo in seconda proiezione (ruotata di 90° rispetto alla precedente).

Fig. 9a – A-scan e S-scan con tecnica PA sul

campione A1 Fig. 9b – A-scan, S-scan e C-scan con tecnica PA

AUT sul campione A1

Fig. 10a – A-scan eS-scan con tecnica PA sul

campione A2. Fig. 10b – A-scan, S-scan e C-scan con tecnica PA

AUT sul campione A2.

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Fig. 11a – A-scan eS-scan con tecnica PA sul

campione A3. Fig. 11b – A-scan, S-scan e C-scan con tecnica PA

AUT sul campione A3.

5 Conclusioni Il lavoro è mirato ad evidenziare le potenzialità della tecnica UT PA in un ambito di particolare interesse applicativo industriale come quello dei giunti saldati di tubi di piccolo diametro e piccolo spessore. Più nello specifico, al di là delle lacune normative ancora esistenti, viene evidenziata la possibilità di rendere semi-automatizzato il controllo grazie all’impiego di specifiche sonde PA da 7,5 MHz installate su un portasonde di dimensioni straordinariamente contenute da risolvere problemi di accessibilità radiale per tubi disposti a fascio ed il cui gap sia estremamente ridotto (fino a 12 mm di luce). Viene inoltre dimostrata l’efficacia diagnostica della tecnica che consente, in alternativa al controllo RT, la puntuale rilevazione di difetti di diversa natura tipicamente generati nel processo di saldatura la cui individuazione risulterebbe altrimenti estremamente difficile. L’impianto strumentale qui descritto e le prove effettuate sono propedeutiche alla qualificazione della metodica che verrà implementata su larga scala e potrebbe rivelarsi particolarmente utile ai fini della messa a punto di un approccio strutturato e reso disciplinato da specifici documenti normativi. Bibliografia 1. ASME 2006, ASME B31.1 Code Case 179, “Use of ultrasonic examination in lieu of

radiography for B31.1 applications in materials ½” or less in wall thickness”, June 28, 2006.

2. ASME 2007, ASME B31.3 Code Case 181, “Use of Alternative Ultrasonic Examination Acceptance Criteria in ASME B31.3”, January 23, 2007

3. ASME 2010, Code Cases: Boilers and pressure vessels. Code case 2235-9 “Use of ultrasonic examination in lieu of radiography, Section I; Section VIII, Division 1 and 2; and Section XII”. July 1, 2010.

4. ASME Section V Article 4, “Ultrasonic Examination Methods for Welds,” American Society of Mechanical Engineers, 2007 Edition, July 1, 2007.

5. ASME Section V Article 4, “Code Cases 2541, 2557 and 2558 for manual inspections; 2599 and 2600 for encoded linear scanning”. American Society of Mechanical Engineers, 2007 Edition, July 1, 2007.

6. E. A. Ginzel and M. Moles, “S-scan Coverage with Phased Arrays”, Materials Evaluation, August 2008, page 810.

7. Portable Phased Array Thickness Inspection, Eric Sjerve and Michael Moles, www.ndt.net – 7th MENDT - Middle East Nondestructive Testing Conference & Exhibition-2009.