Pruebas ultrasónicas Phased Array: un tutorial

Jul 23, 2023

Fuente: Getty Images y Birring ECM

La matriz en fase (PA), comúnmente conocida como ultrasonido en el campo médico, se ha extendido a aplicaciones industriales y está reemplazando rápidamente las pruebas ultrasónicas de haz angular (UT) convencionales. Mientras que las pruebas ultrasónicas convencionales utilizan sondas de cristal único con un ángulo de haz fijo, como 0⁰, 45⁰, 60⁰ y 70⁰, la matriz en fase mediante la aplicación de retardos de tiempo en múltiples cristales barre el haz en una variedad de ángulos. Esta característica permite una cobertura e inspección total con una sonda de matriz monofásica en lugar de múltiples sondas de ángulo fijo. Los retrasos de tiempo aplicados a los cristales individuales se calculan matemáticamente para enfocar y barrer el haz. Éstas se llaman leyes focales. El uso de una única sonda PA en lugar de varias sondas convencionales permite simplificar los escáneres UT manuales, mecánicos y automatizados. Otra ventaja de las pruebas ultrasónicas en fase sobre el ultrasonido convencional es que, mientras que la UT convencional muestra una señal de escaneo A basada en el tiempo, la UT en fase muestra una imagen sectorial que representa la sección transversal de la pieza probada. La imagen sectorial es mucho más fácil de entender e interpretar que una señal de escaneo A que requiere trazar en un dibujo de componente. La Figura 1 muestra una sonda de matriz en fase colocada sobre un bloque de acero con tres orificios laterales y una muesca. La imagen correspondiente muestra una relación 1:1 que muestra los tres orificios, lo que facilita la comprensión e interpretación del técnico. Se pueden ver visualizaciones similares al inspeccionar soldaduras y otras geometrías complejas.

Si bien PAUT se está convirtiendo en un enfoque popular para las inspecciones no destructivas, es importante que los usuarios comprendan esta tecnología, sus limitaciones y cómo se debe aplicar.

Abreviaturas de matriz en fase: Apertura activa, A - número de elementos activos x tamaño del elemento; tamaño del elemento - tamaño del cristal; F- Distancia focal; f - frecuencia en MHz; λ - longitud de onda; v - velocidad; tamaño del punto focal = F λ/A

Selección de sonda: La selección de la sonda PA es muy importante para las pruebas de matriz en fase. La frecuencia de la sonda y su apertura activa definen el enfoque del haz que a su vez define la resolución de la imagen. Las sondas con mayor frecuencia y mayor apertura activa tendrán un enfoque más nítido e imágenes de mayor resolución. Por lo tanto, una sonda de 5 MHz de 32 x 1,0 mm tendrá mejor resolución que una sonda de 5 MHz de 32 x 0,6 mm o una sonda de 2 MHz de 32 x 1,0 mm. Y un 5MHz de 16 x 1,0 mm tendrá el mismo tamaño de punto focal que el de 5MHz de 32 x 0,5 mm. Ambos tienen la misma apertura activa de 16 mm.

Instrumento: El instrumento Phased Array debe tener la capacidad de pulsar todos los elementos necesarios de la sonda. Por lo tanto, para utilizar completamente una sonda de 32 elementos, el instrumento debe tener una relación mínima de 32:128. Cuando se utiliza un escáner, el instrumento debe tener la capacidad de guardar datos sin procesar junto con la información de posición del codificador.

Exploración: La inspección PAUT se puede realizar en modo manual o utilizar escáneres. Los escáneres pueden ser manuales, push-pull o motorizados como se utilizan en la UT automatizada. Todos los escáneres incluyen salida de codificador para almacenar información de posición con los datos sin procesar.

Cobertura de escaneo: Los escaneos deben mostrar una cobertura del 100% del volumen que se inspecciona. La cobertura no significa sólo inundar el volumen con sonido, sino también garantizar que el sonido se refleje hacia la sonda. Esto es importante cuando se esperan reflectores planos como la falta de fusión. Los defectos planos actúan como espejos y reflejan el haz según el ángulo de incidencia.

Bloques de calibración: Al realizar inspecciones de código, la curvatura y el espesor del bloque de calibración deberán ser según el código aplicable. Por ejemplo, al realizar inspecciones de tuberías ASME, se deben usar bloques de calibración curvos para diámetros inferiores a 20 pulgadas con reflectores de calibración como se especifica en ASME V, Art. 4.

Nivel de referencia: Este valor se refiere a la configuración de ganancia. La configuración de ganancia se establece en los reflectores de calibración según lo exige la especificación y normalmente se ajusta para obtener el 80 % de la altura de pantalla completa (FSH). Para las inspecciones ASME, la ganancia debe establecerse no solo para obtener 80 % de FSH en un ángulo, sino también 80 % de FSH para todos los ángulos en todo el rango de ángulo de barrido y el rango de inspección. Por lo tanto, si el rango del ángulo de barrido es de 40⁰ a 65⁰, la calibración debe garantizar un 80 % de FSH para cada ángulo y que los reflectores cubran toda la ruta del sonido. Este proceso se realiza siguiendo pasos de calibración que ajustan la ganancia para cada ángulo o ley focal. Se aplica una ganancia corregida en el tiempo (TCG) para ajustar la ganancia en el rango de la ruta del sonido.

En conclusión, la UT en fase es una técnica poderosa, pero su aplicación requiere una comprensión integral de su uso.

Anmol Birring, Evaluación de materiales "Optimización de la apertura activa de la sonda para inspecciones de soldadura Phased Array", agosto de 2021, páginas 797-801

Anmol Birring de Birring NDE Center Inc., Houston. Para obtener más información, envíe un correo electrónico a [email protected].