Phased-Array-Ultraschallprüfung

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Die Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) hat seit ihrer Einführung in den frühen 2000er Jahren die konventionelle Ultraschallprüfung kontinuierlich verdrängt. PAUT bietet erhebliche Vorteile gegenüber der herkömmlichen UT sowohl hinsichtlich der Datenerfassung als auch der Datenanalyse. Darüber hinaus haben Fortschritte bei der PAUT-Hardware zur Entwicklung fortschrittlicherer Bildgebungstechniken wie der Full Matrix Capture/Total Focusing Method (FMC/TFM) geführt, die eine verbesserte Fehlergröße und -charakterisierung ermöglichen. Dieser Artikel gibt einen allgemeinen Überblick über die PAUT-Technologie und beschreibt ihre Vorteile im Vergleich zur herkömmlichen UT, gefolgt von einer kurzen Diskussion der nächsten Generation der PAUT-Inspektionstechnologie: FMC/TFM.

Bei der Ultraschallprüfung (UT) werden hochfrequente mechanische Wellen verwendet, um Fehler in Industriekomponenten zu finden. Fehler äußern sich in abrupten Änderungen der Materialeigenschaften (Steifigkeit und/oder Dichte), die Ultraschallwellen reflektieren, wenn sie sich durch ein Prüfstück ausbreiten. UT wird oft anstelle von Röntgenprüfungen (RT) verwendet, da UT keine Handhabung von Röntgenmaterialien erfordert und empfindlicher auf häufige Schweißfehler wie Risse und mangelnde Verschmelzung reagiert.

Mithilfe eines speziellen piezoelektrischen Sensors oder einer „Sonde“ wird ein kurzer Ultraschallimpuls in ein Prüfstück eingestrahlt, häufig mithilfe eines brechenden „Keils“, um den Strahl auf den interessierenden Bereich zu richten – siehe Abbildung 1 (oben). Wenn der einfallende Strahl mit einem Fehler interagiert, wandert die resultierende Reflexion auf demselben Weg zurück zur Sonde und registriert ein Signal, das üblicherweise als A-Bild bezeichnet wird – Abbildung 1 (unten). Ein A-Scan stellt die Stärke der von der Sonde erkannten Reflexionen (Amplitude) als Funktion der Zeit dar, die seit dem Senden des Impulses durch die Sonde verstrichen ist, was auf die Position der Reflexion im Werkstück zurückgeführt werden kann.

Um eine im A-Bild erkennbare Reflexion zu verursachen, muss der Fehler den Ultraschallstrahl irgendwo auf seinem Weg durch das Werkstück kreuzen. Da Fehler überall innerhalb des Prüfvolumens auftreten können, muss die Sonde/der Keil nach vorne (oder nach hinten) gedreht werden, damit der Strahlengang den gesamten interessierenden Bereich abdeckt – siehe Vorderansicht in Abbildung 2. Diese Indexierung der Sonde in Richtung der Schweißnaht muss über die gesamte Länge des Bauteils wiederholt werden, wie in Abbildung 2 (Draufsicht) dargestellt. Die herkömmliche UT-Inspektion wird in der Regel manuell durchgeführt. Dabei muss der Techniker gleichzeitig die A-Scan-Anzeige auf dem UT-Instrument auf Fehlerreflexionen überwachen und gleichzeitig sicherstellen, dass die Sonde/der Keil dem definierten Scanmuster folgt. Dieser Vorgang wird noch dadurch erschwert, dass eine Schicht aus Kopplungsgel oder -öl aufgetragen und erneut aufgetragen werden muss, um die Übertragung des Ultraschalls in das Werkstück zu ermöglichen. Zusammen können diese Herausforderungen dazu führen, dass Techniker kritische Fehler nicht erkennen und das Ergebnis einer Inspektion stark von der Sorgfalt des einzelnen Inspektionspersonals abhängt. Da die Sonde manuell manipuliert und die A-Scans im laufenden Betrieb analysiert werden, besteht auch keine Möglichkeit/Notwendigkeit, die Inspektionsdaten aufzuzeichnen. Das resultierende Inspektionsprotokoll ist dann lediglich ein Bericht, in dem die Lage aller während der Prüfung festgestellten Mängel aufgeführt ist.

Der herkömmliche UT-Testansatz kann robuster gemacht werden, indem ein codierter Scan durchgeführt wird, bei dem A-Scans digitalisiert und an jeder Scanposition aufgezeichnet werden. Die UT-Daten können dann nach der Erfassung analysiert werden, sodass der Prüfer Zeit hat, die Ergebnisse ordnungsgemäß zu prüfen, ohne dies zu tun keine Angst vor Manipulationen an der Sonde haben. Die Erfassung codierter Scandaten mit einem herkömmlichen UT-Sondenkeil erfordert ein Roboter-Scansystem, das in der Lage ist, die Sonde physisch zu indexieren, um eine Abdeckung des interessierenden Bereichs zu erreichen – dieser Ansatz wird als automatisierte UT oder AUT bezeichnet. Roboter-Scansysteme sind kostspielig und lassen sich nur schwer an die Feldbedingungen anpassen. Folglich wird AUT traditionell in Produktionsumgebungen eingesetzt, in denen die Kosten des Systems durch den Umfang der Inspektionen gerechtfertigt werden könnten, z. B. die Inspektion neuer Pipeline-Schweißnähte oder die Durchführung von Korrosionsuntersuchungen an großen Schiffen.

In den frühen 2000er Jahren wurde ein alternativer Ansatz zur Erfassung codierter Ultraschalldaten eingeführt. Die ursprünglich für die diagnostische Bildgebung entwickelte Technologie umfasst die Verwendung einer Reihe kleiner Ultraschallsensoren (Elemente), um Ultraschallstrahlen zu formen und zu lenken, ohne dass die Sonde physisch neu positioniert werden muss. Dies wird erreicht, indem die verschiedenen Elemente zu leicht unterschiedlichen Zeiten gepulst werden, sodass die von den einzelnen Elementen erzeugten Wellen konstruktiv interferieren und eine gewünschte Wellenfront bilden. Die relative Zeitverschiebung zwischen den Elementen wird als „Phasing“ bezeichnet. Dementsprechend werden UT-Sensor-Arrays mit mehreren Elementen als „Phased-Array“-Sonden bezeichnet, und mit diesen Sonden durchgeführte Ultraschallprüfungen werden üblicherweise als Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) bezeichnet.

Der Hauptvorteil von PAUT gegenüber herkömmlicher UT besteht darin, dass die Abdeckung eines Inspektionsvolumens erreicht werden kann, ohne dass die Sonde physisch indexiert werden muss. Vielmehr kann eine PAUT-Sonde stattdessen die Abdeckung erreichen, indem sie Strahlen erzeugt, die in unterschiedlichen Winkeln gebrochen werden – dies wird als „Sektorendurchlauf“ bezeichnet oder Scan“ und ist in Abbildung 3 dargestellt. Jeder von der PAUT-Sonde erzeugte Strahl führt zu einem einzelnen A-Scan, der unabhängig oder zusammen in einem Bild betrachtet werden kann, wobei die Reflexionsamplitude durch eine Farbkarte dargestellt wird – siehe Abbildung 3. Typischerweise Das sogenannte „sektorielle Scan“-Bild wird im unverpackten Format dargestellt, wobei die Anzeigen nach dem Überspringen von der vertikal gespiegelten Innenfläche des Bauteils auftreten. Der Umriss der nominalen Schweißnahtgeometrie wird oft über das Bild „überlagert“, um dem Analysten zu helfen, die Position der Reflexionen durch die Wand hindurch zu verstehen. Die Möglichkeit, A-Scans von allen Strahlen, die den interessierenden Bereich abdecken, gemeinsam als Bild zu betrachten, anstatt einen einzelnen A-Scan während der Indizierung auf Anomalien zu überwachen, verringert die Wahrscheinlichkeit, dass Fehler vom Prüfer übersehen werden, und berücksichtigt die Ausdehnung durch die Wand Alle erkannten Fehler können direkt aus dem sektoralen Scanbild abgeschätzt werden.

Ein weiterer erheblicher Vorteil von PAUT gegenüber herkömmlicher UT besteht darin, dass für die Erfassung codierter Daten im Allgemeinen kein Roboterscanner erforderlich ist – eine PAUT-Sonde muss lediglich entlang der Scanachse bewegt werden, um das Inspektionsvolumen abzudecken, was manuell durchgeführt werden kann – siehe Abbildung 4 . Die Position der Sonde entlang der Scanachse lässt sich problemlos über ein oder mehrere Räder oder einen an der Sonde befestigten Kordelzug verfolgen, der einen elektrischen Impuls an die PAUT-Instrumentierung sendet und diese anweist, die Sequenz von PAUT-Strahlen in vordefinierten Intervallen (z. B. 1 mm) abzufeuern. . Die relativ einfache Erfassung codierter Inspektionsdaten mit PAUT bedeutet, dass PAUT-Scans standardmäßig aufgezeichnet und gespeichert werden. Die Digitalisierung der Inspektionsdaten erleichtert den Analyseprozess erheblich, da Techniker die UT-Ergebnisse des gesamten Inspektionsvolumens anzeigen können, indem sie durch Sektorscans oder andere Projektionsansichten (B-Scans/Seitenansichten oder C-Scans/Draufsicht) blättern. Softwaretools, die den Analyseprozess gemäß den vom Code vorgeschriebenen Erkennungskriterien teilweise automatisieren, werden immer beliebter, um sicherzustellen, dass alle kritischen Fehler korrekt identifiziert, dimensioniert und positioniert werden. Aus qualitativer Sicht ermöglicht der Zugriff auf die Inspektionsdaten den Aufsichtsbehörden oder Kundenvertretern, die Arbeit der Inspektionsunternehmen regelmäßig zu überprüfen, ohne Zugriff auf Komponenten für erneute Scans zu haben.

Verbesserungen bei der PAUT-Instrumentierung haben dazu geführt, dass fortschrittlichere Bildgebungstechniken praktisch einsetzbar sind. Die beliebteste davon ist eine Technik namens Full Matrix Capture/Total Focusing Method (FMC/TFM), die mittlerweile auf den meisten High-End-PAUT-Instrumenten verfügbar ist. FMC/TFM nutzt die A-Scans, die durch Pulsieren und Empfangen mit allen Elementpaaren in einer PAUT-Sonde gewonnen werden, um ein hochauflösendes Bild des Inspektionsvolumens zu erzeugen, das effektiv „überall fokussiert“ ist. FMC/TFM-Bilder sind im Vergleich zu PAUT-Sektorscanbildern einfacher zu interpretieren. Fehler werden geometrisch getreu dargestellt und ihre Größe und Form, Textur usw. stimmen in der Regel viel besser mit dem Fehler überein als sektorale Scanbilder, die völlig unfokussiert oder in einem bestimmten Abstand zur Sonde fokussiert und an anderer Stelle unfokussiert sind. Als Beispiel wird der in Abbildung 1 und Abbildung 3 gezeigte kleine Schweißfehler in Abbildung 4 mit FMC/TFM abgebildet. Hier sieht die Fehleranzeige fast identisch mit dem Schweißfehler selbst (Schlacke) aus, insbesondere im Vergleich zum Sektorscan Das in Abbildung 3 gezeigte Bild zeigt, dass das Ziel erheblich verlängert ist. Die Darstellung von Ultraschallprüfdaten in hochauflösenden Bildern macht es menschlichen Analysten nicht nur einfacher, Fehler zu erkennen, genau zu dimensionieren und zu charakterisieren, sondern vollautomatische, auf künstlicher Intelligenz basierende Systeme können auch einfacher mithilfe von Bildern trainiert werden als mit A-Scan-Signalen oder Sektorscan-Bildern .

Jonathan Lesage ist NDT-Forschungsingenieur, Ph. D., Acuren Application Development Group/Eclipse Scientific. Er begann seine Karriere bei Eclipse Scientific (inzwischen von Acuren übernommen) als Spezialist für Signal-/Bildverarbeitung im Jahr 2016. Seitdem arbeitet er an neuartigen Techniken zur Verarbeitung zerstörungsfreier Prüfdaten und an der Technikentwicklung für anspruchsvolle Inspektionen. Er hat einen Ph.D. von der University of Toronto und eine CSWIP Phased Array Level II-Zertifizierung. Jonathan arbeitet eng mit seinem Kollegen Mohammad Marvasti zusammen, um die Advanced Services-Abteilungen von Acuren zu unterstützen und externe Kunden wie Siemens/Gamesa Renewable Energy, Halliburton Energy Services, Rio Tinto und NYSEARCH/Northeast Gas Association zu beraten. Jonathan trägt auch zur Entwicklung neuer Funktionen in der Ultraschalltechnik-Designsoftware BeamTool von Eclipse Scientific bei. Für weitere Informationen rufen Sie (647) 774-1509 an oder besuchen Sie unswww.acuren.com oder www.eclipsescientific.com/Research-and-Application-Development.html.