Ispezione mediante Diffrazione del tempo di volo ad ultrasuoni (TOFD) di giunzioni testa a testa di polietilene ad alta densità (HDPE)

Contesto

Le tubazioni di polietilene ad alta densità (HDPE) vengono usati in sostituzione dell'acciaio nel settore petrolchimico, energetico e minerario per le eccezionali caratteristiche di resistenza alla corrosione e all'erosione. Recentemente l'HDPE è stato inoltre usato nel settore nucleare per le applicazioni relative ai sistemi di raffreddamento di sicurezza. Le esigenze di controllo qualità del settore nucleare richiedono che la giunzione testa a testa sia solida. L'ispezione mediante Diffrazione del tempo di volo ad ultrasuoni (TOFD) di giunzioni testa a testa rappresenta uno strumento di controllo non distruttivo di facile applicazione che può essere usato per assicurare maggiormente l'integrità delle giunzioni testa a testa.

Problema

I processi di giunzione dell'HDPE sono in genere soggetti ai seguenti difetti: fusioni incomplete, fusioni fredde (giunzioni parziali), inclusioni e cavità. Attualmente nel settore non esiste uno standard completamente condiviso sulle caratteristiche e le dimensioni di difetti non tollerabili; tuttavia è spesso richiesta un'ispezione non distruttiva per rilevare questi aspetti.

L'HDPE possiede alcune specifiche caratteristiche che ne rendono difficile l'ispezione. L'impedenza acustica e la velocità di propagazione dell'onda sonora dell'HDPE sono simili a quelle comunemente usate negli zoccoli ultrasonori, pertanto è difficile raggiungere la rifrazione sonora corretta nel punto di interfaccia. Inoltre l'accoppiamento tra gli zoccoli in Rexolite e il materiale da ispezionare può essere di complessa esecuzione. Inoltre il materiale HDPE è molto attenuativo in confronto ai metalli non permettendo l'uso di maggiori frequenze ultrasonore. Inoltre presenta un naturale effetto di filtraggio a alta frequenza. Per superare questi impedimenti sugli zoccoli a acqua TOFD vengono installate delle sonde a bassa frequenza.

Apparecchiatura

Per l'ispezione viene impiegata la seguente apparecchiatura:

• Strumento OmniScan con funzionalità TOFD
• Panametrics C542-SM o C546-SM Centrascan (diametro dell'elemento di 6,25 mm o 0,246 in.; frequenze di 2,25 MHz e 3,5 MHz)
• Zoccoli ad acqua da 60 l TOFD (ST1)
• 1 scanner semi-automatico CHAIN
• 1 sistema di somministrazione dell'acqua CFU-03 o simile

Apparecchiatura opzionale

• Pre-amplificatore Panametrics Modello 5682 (500 kHz-30 MHz/30 dB)

Configurazione di ispezione

Zoccoli ad acqua

Procedura tipica

Viene applicata una procedura TOFD convenzionale per l'ispezione di HDPE con le seguenti specifiche:

• La distanza da centro della sonda (PCS) viene regolata per assicurare l'incrocio del fascio al 66% dello spessore. Sono consigliate delle configurazioni supplementari su tubazioni a spessore elevato per migliorare il rilevamento in prossimità delle superfici del DE o DI.
• Il gruppo sonda viene installato sullo scanner Chain.
• Il guadagno elettronico nell'OmniScan è regolato per definire l'onda laterale (OL) al 60%.
• Lo scanner CHAIN viene installato sulla tubazione e l'ispezione viene eseguita con una rotazione.

Schema di Diffrazione del tempo di volo di una giunzione testa a testa in HDPE

Risultati

La cattura dello schermo riportata di seguito con un'immagine A-scan e un'immagine circonferenziale B-scan mostra i risultati su un campione HDPE spesso da 25 mm (1 in.) con delle discontinuità tarate nel DI situate a una profondità compresa tra 11,6 mm (0,456 in.) a 2,9 mm (0,114 in.). Le tre discontinuità sono rilevate chiaramente con un rapporto segnale-rumore ottimale.

La seguente cattura dello schermo mostra chiaramente la presenza di cavità e/o contaminanti nella giunzione testa a testa in HDPE di 16 mm (0,629 in.) di spessore di una tubazione di 150 mm (5,9 in.) di diametro.

L'immagine è indicativa di condizioni di giunzione difettosa in corrispondenza della superficie interna lungo quasi l'intero diametro di una tubazione di 450 mm di diametro (17,716 in.) con una giunzione testa a testa di 54 mm (2,125 in.) di spessore in HDPE.

Conclusione

Il metodo di ispezione che si avvale della tecnica TOFD in combinazione con l'OmniScan e altri strumenti ha dimostrato di essere un efficace tecnica di controllo non distruttivo per le giunzioni testa a testa in HDPE. Sebbene il settore nucleare continua a progredire in relazione alle applicazioni di rilevamento di difetti non tollerabili, continuano a essere realizzati studi e test più approfonditi nell'ambito degli ultrasuoni phased array.