Paul Hayes, titolare di Sinewave Solutions, vanta oltre 25 anni di esperienza nel supporto ai controlli non distruttivi nei settori nucleare, energetico, aerospaziale e altri settori a elevata criticità per la sicurezza. Grazie alla sua vasta esperienza sul campo e al lavoro con tecniche ultrasoniche avanzate, Paul condivide la sua prospettiva su come la tecnologia phased array e strumenti ad alto numero di canali, come il rilevatore di difetti OmniScan™ X4 128:128PR*, abbiano rimodellato il modo in cui vengono eseguite le ispezioni complesse.

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Domanda: Paul, puoi raccontarci come si è evoluta la tecnologia di ispezione a ultrasuoni nel corso della tua carriera e quale impatto hanno avuto questi cambiamenti sui settori in cui operi?

A: Lavoro nell'ambito delle centrali nucleari e di altri settori critici dalla metà degli anni '90. Il mio primo lavoro nel nucleare è stato a Nine Mile Point nel 1996, quando usavamo apparecchiature A-scan convenzionali per tutto. Guardando indietro ora, è sorprendente quanto siamo riusciti a fare con strumenti così limitati, e quante cose semplicemente non potevamo vedere.

L'evoluzione dall'A-scan al phased array, e ora verso potenti piattaforme 128:128 come il OmniScan™ X4 128:128PR, ha completamente cambiato il nostro approccio alle ispezioni più impegnative nei settori nucleare, della produzione di energia, aerospaziale e persino della manifattura additiva.

Oggi non mi sentirei di affrontare le stesse applicazioni senza una tale potenza di imaging.

Da "forma d'arte" all'imaging: Risoluzione dell'IGSCC con Phased Array

Una delle prime grandi sfide della mia carriera è stata IGSCC (corrosione intergranulare sotto sforzo). Questi difetti sono notoriamente difficili da individuare, soprattutto con le vecchie unità A-scan.

Nella scansione A, un'indicazione IGSCC è un segnale netto e stretto che può apparire quasi identico alla geometria. Le crepe si trovano solitamente proprio in corrispondenza o in prossimità della radice della saldatura, nell'acciaio inossidabile 304/316, dove si hanno già forti segnali provenienti dalla radice stessa. Quindi, si avrebbe una grande risposta della radice, e lunico indizio che potesse esserci una crepa era un piccolo spostamento in quel segnale. Forse l'eco si è spostato leggermente, forse la forma è cambiata di poco.

Ci è sfuggito molto. Tutti l'hanno fatto.

Quando abbiamo iniziato a utilizzare i sistemi phased array, abbiamo notato un miglioramento significativo nella rilevazione dei difetti. Invece di fissare una singola traccia A-scan e cercare di interpretare un piccolo punto, potevamo effettivamente vedere il volume della saldatura in un'immagine. Quello spostamento leggero nel root che potresti completamente trascurare su un  A-scan, è improvvisamente comparso visivamente come «qualcosa che non dovrebbe trovarsi lì».

L'altro grande fattore era gamma dinamica. I primi sistemi phased array avevano ancora dei limiti, tipicamente con range di ampiezza al 100% o 200% che si saturavano su root rumorosi. Non si riusciva ad abbassare il segnale abbastanza da vedere cosa stava succedendo. Con i sistemi odierni a 16 bit e con intervalli di ampiezza estesi fino all'800%, come quelli disponibili sulle moderne piattaforme OmniScan, è finalmente possibile controllare quei segnali di ampiezza elevata:

• Riduci sullo schermo il segnale geometrico predominante

• Evita la saturazione

• Apri la visualizzazione attorno alla radice per vedere il vero difetto

Per l'IGSCC, quella combinazione di ampia gamma dinamica e imaging reale ha trasformato una delle ispezioni più difficili nel settore nucleare in qualcosa di ripetibile, difendibile e molto meno dipendente dall'“arte” e dall'istinto.

Saldature tra metalli dissimili e overlay di saldatura: Dove 128:128 brilla davvero

Se mi chiedete quali siano state le ispezioni più difficili nel corso della mia carriera, saldature tra metalli dissimili (DMW) e overlay di saldatura sono proprio in cima alla lista.

In una tipica saldatura tra metalli dissimili nel settore nucleare, si potrebbe avere:

• Tubo in acciaio inox

• strato di buttering Inconel 182

• Metallo di saldatura Inconel

• Ulteriore buttering

• Poi acciaio al carbonio

Ogni interfaccia può piegare il fascio, disperderlo o produrre riflessioni che sembrano esattamente cricche. All'inizio, su alcune di queste saldature utilizzavamo sistemi automatizzati di A-scansione. I dati apparivano pixelati e rumorosi. Sapevamo che c’era “qualcosa”, ma a meno che non fosse ovvio era quasi impossibile avere fiducia in ciò che stavamo vedendo.

Ricordo un caso in cui, durante un'interruzione, i dati sembravano incerti e siamo andati via pensando che forse c'era qualcosa, forse no… Alla successiva fermo impianto, quella saldatura presentava una perdita sul pavimento. Ci siamo resi conto che quello che pensavamo potesse essere insignificante era in realtà una crepa.

Quel tipo di esperienza rende umili.

È qui che il moderno phased array fa un'enorme differenza:

• Puoi focalizzare sonde più grandi e a bassa frequenza per perforare più interfacce e il rumoroso Inconel.

• La possibilità di focalizzare il suono in modo più efficiente in profondità, migliorando la sensibilità sulla punta della cricca, anche quando è sepolta sotto un overlay e diversi strati di saldatura e imburratura.

• Puoi eseguire più gruppi contemporaneamente a diverse profondità focali, diverse angolazioni e persino diversi angoli di inclinazione, senza dover ripetere la scansione.

Con le sovrapposizioni di saldatura, la situazione diventa ancora più interessante. La soluzione adottata in molte centrali per le perdite nei DMW è stata semplicemente applicare una sovrapposizione: Sovrapporre uno spesso strato di saldatura Inconel sulla saldatura originale e sul tubo. Funziona strutturalmente, ma dal punto di vista degli ultrasuoni hai solo reso il problema più difficile. Ora la punta della cricca potrebbe essere profonda 1,5 pollici o più, attraverso un materiale altamente attenuante, con interfacce complesse.

Ancora una volta, è qui che i canali aggiuntivi e le grandi aperture di un sistema come il OmniScan X4 128:128PR contano davvero:

• Puoi pilotare grandi aperture a basse frequenze con energia sufficiente ad attraversare le sovrapposizioni e vedere comunque la punta della cricca.

• Puoi impostare gruppi obliqui e focalizzati per individuare cricche fuori asse o con orientamenti non convenzionali.

• Puoi effettuare ispezioni automatizzate delle sovrapposizioni utilizzando la tecnologia phased array invece dei metodi manuali, una scelta adottata da un numero crescente di impianti.

Molte centrali nucleari ormai non prendono nemmeno in considerazione l'ispezione manuale delle sovrapposizioni. È automatizzato e utilizza il phased array, perché l’imaging e la copertura sono decisamente migliori.

Angoli di inclinazione: Separazione tra geometria e cricche in tempo reale

Una delle capacità più sottovalutate che diventa davvero potente su uno strumento con più pulsatori, come il 128:128PR, è quella degli angoli di inclinazione.

Nell'ispezione delle saldature, affrontiamo molte geometrie che possono simulare una cricca. Per distinguere e discriminare tra ciò che è reale e ciò che non lo è, seguiamo una serie di regole quasi come un diagramma di flusso: prima, si può vedere da entrambi i lati della saldatura? Poi, si mappa su una posizione sospetta? Presenta profondità attraverso-spessore e mostra 'walk' (spostamento attraverso lo spessore)? Si può vedere con angoli diversi? Mantiene l'angolo di inclinazione (skew)? Disporre di un angolo di skew impostato, proveniente da un array a matrice, a +/- un valore fisso di gradi, costituisce un importante strumento di conferma. Un maggior numero di elementi nella direzione passiva consente un intervallo di orientamento più ampio. Più elementi richiedono anche più canali. Queste capacità di inclinazione sull'asse passivo possono aiutare con:

• Radici rumorose

• Lavorazioni interne al diametro interno (ID)

• Disallineamenti tra tubi

• Anelli di supporto / Piastre di supporto

Dal punto di vista della sola prospettiva frontale della sonda, tutte queste caratteristiche possono generare riflessi forti e puliti proprio dove si cercano le crepe, in particolare nel diametro interno. Molti tubi sono stati tagliati nel corso degli anni perché una radice della saldatura rumorosa o una svasatura "sembravano" una cricca con gli approcci convenzionali.

Gli angoli di inclinazione cambiano le regole del gioco.

Con l'inclinazione, non si orienta solo il fascio nella direzione principale, ma lo si orienta anche lateralmente. Su un'unità phased array con un elevato numero di canali di impulso, puoi:

• Costruire sonde più larghe nella direzione passiva (più elementi da un lato all'altro)

• Mantenere la copertura in direzione avantie la copertura angolata allo stesso tempo

• Eseguire a zero (guardando avanti) più angoli di inclinazione positivi e negativi come gruppi separati in una singola scansione

Ecco perché è importante:

• Le geometrie (svasature, disallineamenti, anelli di supporto) dipendono molto dall'orientamento. Quando si esegue la scansione con un angolo di inclinazione, il raggio tende a rimbalzare su queste superfici e non restituisce un segnale forte.

• Le crepe, invece, presentano facce orientate in molte direzioni. Quando si applica un angolo di inclinazione, uno di questi angoli intercetterà la facetta e darà una risposta forte e caratteristica. Una vera cricca darà sicuramente una risposta agli angoli obliqui.

Quindi, se hai un segnale sospetto guardando in avanti, ma nulla ai tuoi angoli obliqui, è probabile che si tratti di geometria.

Se osservi una risposta in direzione frontale e risposte forti e coerenti in uno o più angoli obliqui, stai esaminando qualcosa che si comporta come una cricca.

Quello che il 128:128 ti offre è il numero di canali per eseguire quei gruppi skew senza compromessi. Non è necessario cambiare le impostazioni, ricaricare le configurazioni o ripetere la scansione della saldatura. È possibile effettuare un confronto in tempo reale tra:

• Angoli diversi

• Profondità focali diverse

• Frequenze diverse

• Direzioni di skew diverse

Tutto in un unico passaggio.

Fatica termica e crepe fuori asse: Copertura affidabile

Un altro problema difficile è fatica termica. Tali crepe possono presentarsi con orientamenti anomali perché sono causate da una combinazione di cicli termici e carichi meccanici. Sono ancora tipicamente connesse alla superficie sul diametro interno, ma non sempre sono parallele o perpendicolari al tubo. Possono estendersi fuori asse in direzioni insolite.

Con la scansione tradizionale utilizzando uno scanner X-Y standard e una singola direzione del fascio, è facile sorvolare una cricca da fatica termica senza mai rilevarla. Se il fascio lo intercetta correttamente, ottieni una risposta. Altrimenti non lo rilevi.

Quando si introducono angoli di inclinazione e profondità focali multiple in un sistema come l'OmniScan X4 128:128PR, si può:

• Rileva gli orientamenti fuori asse in modo molto più efficace

• Utilizza angoli di inclinazione per scansionare il volume e individuare le cricche che non sono allineate con il tuo fascio principale.

• Regola accuratamente le profondità focali per evitare sovra- o sotto-focalizzazione per uno specifico spessore di parete.

Non si tratta solo di una maggiore quantità di dati; sono dati di cui si ha maggiore certezza. Dopo aver lavorato per un po' con gruppi obliqui e profondità focali multiple, si comincia a fidarsi che, se c'è qualcosa, uno di quegli angoli lo rileverà.

Aerospaziale, Produzione Additiva e Materiali Rumorosi

Al di fuori del nucleare, ho lavorato con compositi aerospaziali con nuclei complessi, strutture a nido d'ape e produzione additiva. Il filo conduttore? Materiali rumorosi, attenuanti e insoliti.

Alcuni di questi materiali hanno un'anima in schiuma o a nido d'ape. A prima vista, verrebbe da pensare che gli ultrasuoni non dovrebbero riuscire ad attraversare quel materiale. Ma con una sonda progettata correttamente e con energia sufficiente, è possibile ottenere dati utili attraverso di essa.

Questo è un altro caso in cui avere 128 canali con cui lavorare ripaga:

• È possibile progettare sonde più larghe ed essere comunque in grado di eccitarle completamente.

• È possibile scegliere frequenze più basse per la penetrazione senza sacrificare completamente la risoluzione.

• Puoi coprire una superficie maggiore per ogni scansione, il che è cruciale nell'aerospaziale, dove componenti come le strutture alari sono lunghe e le distanze di scansione sono enormi.

Ho visto situazioni in cui una longherina alare o una sezione di raggio richiedevano diversi turni di lavoro per essere scansionate con piccoli passi e configurazioni convenzionali. Passando a un array ampio azionato da una potente unità phased array, possiamo ridurre i tempi di scansione da:

• Quattro turni di scansione

• A una scansione pura "finita prima di pranzo" in termini di tempo di scansione

Non si tratta solo di un miglioramento tecnico; è una rivoluzione della produttività per la produzione.

Alcuni di questi materiali sono ancora troppo difficili e richiedono molta più energia. Ecco perché ho progettato il T-800 compatibile con OmniScan. Ma questo è un altro argomento per un'altra volta!

Tempo di fermo, velocità e impatto reale sul business

Nel nucleare, il tempo trascorso in un'interruzione è denaro, un sacco di soldi. All'inizio della mia carriera, una chiusura media con tipici esami UT poteva tenerci in sede per circa un mese. Quando l'array a fasi è diventato lo standard, quegli stessi interventi hanno iniziato a richiedere da 10 giorni a 2 settimane invece.

Gran parte di ciò è dovuta alla velocità:

• Il phased array può coprire il volume di saldatura molto più velocemente di una scansione A convenzionale.

• La tecnica phased array automatizzata riduce la necessità di nuove scansioni e reinterpretazioni manuali.

Ho visto sezioni singole di saldatura che prima richiedevano 30–40 minuti ora essere scansionate in circa 60 secondi. Inizialmente i tecnici temevano che una velocità del genere potesse far loro perdere il lavoro. La realtà è che il lavoro non manca, ma ora gli impianti completano le fermate programmate e tornano operativi più rapidamente, con dati di qualità superiore e meno sorprese.

Perché È Importante Avere Più Pulsatori

In fin dei conti, c'è un principio che è rimasto valido per tutta la mia carriera.

La sonda giusta risponde all'applicazione, ma serve lo strumento giusto per pilotare quella sonda.

Uno strumento come OmniScan X4 128:128PR ti offre:

• La potenza e i canali per pilotare le sonde di cui hai effettivamente bisogno per i materiali più difficili da ispezionare: Acciaio inossidabile, Inconel, rivestimenti, fusioni, additivo.

• La flessibilità di eseguire simultaneamente più profondità focali, angoli, frequenze e gruppi di angoli di skew per un confronto in tempo reale.

• La copertura e la velocità per trasformare le scansioni su più turni in minuti e per aiutare gli impianti a ridurre le interruzioni senza compromettere la sicurezza.

• Una maggiore disponibilità di canali è anche un moltiplicatore per la capacità della sonda.

Se potessi tornare indietro e riesaminare le ispezioni più difficili della mia carriera (IGSCC in vecchie tubazioni in acciaio inox, saldature di metalli dissimili che hanno avuto perdite, sovrapposizioni con crepe nascoste, nuclei rumorosi nell'aerospaziale e parti additive attenuative), vorrei sicuramente avere con me gli ultimi strumenti phased array e un OmniScan X4 128:128PR ogni singola volta.

Il moderno phased array non ha solo semplificato le ispezioni.
Le ha rese più affidabili, più veloci e, in molti casi, davvero possibili per la prima volta.

— Paul Hayes, Proprietario di Sinewave Solutions