MOGELIJKHEDEN NOG LANG NIETUITGEPUT

Phased arrays zijn bekend uit de medischediagnostiek, waar ze gebruikt worden bij hetzogenaamde ‘echo’-onderzoek.In het NDO werden ze pas later ingevoerd. Na een schoorvoetend begin in de negentiger jarenzijn phased arrays nu in hoog tempo bezig eenplaats te veroveren in het Niet-Destructief Onderzoek(NDO) van materialen, in het bijzonder lassen.Door Frits Dijkstra, Casper Wassink, Niels Pörtzgen, RTD bv, Rotterdam,Nederland

ONDERZOEK

ULTRASOON LASONDERZOEK METPHASED ARRAYS

Sturen en focusseren

Een ‘Phased Array’ is een‘gefaseerde reeks’. Een reeks van piëzo-elementen opeen rij die, wanneer ze met eenonderling faseverschil wordenaangestuurd, samen deeigenschappen krijgen van eenultrasoon kristal zoals dat ook inconventionele ultrasone tastersvoorkomt. Bij eeneendimensionale phased array(figuur 1) wordt dat kristalvervangen door vele kleinelangwerpige elementen, dieindividueel aan te sturen zijn.Ook meerdimensionale arrays zijnmogelijk (figuur 2). Hiermee kande bundel dan zelfs inverschillende vlakken wordengestuurd.In figuur 1 is de opbouw enwerking van een eendimensionalearray getoond. Door dezendpulsen die aan de elementenworden toegevoerd een kleineonderlinge vertraging mee tegeven verandert de bundel vanrichting. Door ook bij hetontvangen weer onderlingevertragingen toe te passen kanmen de taster ook bij hetontvangen elke gewenste hoekgeven. Hetzelfde principe kanworden toegepast om de bundelte focusseren (figuur 1).

Figuur 5: voorbeeld van een medische sectorscan, Figuur 6: Loodrechte aanstraling door een sectorscan op een V-, narrow gap en X-las

Fysische eigenschappenbundel

Wanneer een geluidsgolf eenmaalde phased array-taster heeft verlatenzijn de fysische eigenschappenervan in principe identiek aan dievan een golf uit een ‘gewone’taster. Phased arrays kunnendaarom voor dezelfde toepassingenworden gebruikt als conventioneletasters: wanddiktemeting, opsporenvan dubbelingen, gietfouten,lasonderzoek etc. Ook Time ofFlight Diffraction (ToFD, eenbekende methode waarmee ook dehoogte van lasdefecten kan wordengemeten, figuur 3) is met phasedarrays mogelijk, en zelfstandemtechniek. Voor het laatste ishet handig om de taster wat langeruit te voeren (figuur 4), zodat eenen dezelfde taster met verschillendeinzendpunten kan zenden enontvangen.

Sectorscan

Omdat een en dezelfde phasedarray-taster onder meerdere hoekenkan zenden en ontvangen, wordthet mogelijk een zogenaamde‘sectorscan’ te maken. Die kennenwe al uit de medische diagnostiek(figuur 5). Bij een sectorscan werktde taster een programma afwaarbij achtereenvolgens wordt

uitgezonden en ontvangen met eengroot aantal hoeken. Fysisch gezien is deze werkwijzeidentiek aan het opeenvolgendzenden en ontvangen met steedseen andere conventionele taster opdezelfde plaats, maar met een ietsandere hoek. Men kan op dezemanier snel een groot volumeaftasten. Bijvoorbeeld het volumevan een las plus dewarmtebeïnvloede zone. Ultrasoon onderzoek is eenvergelijkende methode. Dat geldt inhet bijzonder voor de puls-echo-techniek. Reflecties vanlasafwijkingen worden vergelekenmet die van een bekende reflector.Ook een sectorscan maakt gebruikvan zulke reflecties, dus gelden hierdezelfde fysische wetten. Om eenbruikbare relatie te verkrijgen tussende grootte van bijvoorbeeld een

bindingsfout en de amplitude vanhet gereflecteerde signaal zal mendie fout ook bij een sectorscan minof meer loodrecht moetenaanstralen, precies zoals bij eenconventioneel puls-echo-onderzoek.In figuur 6 is te zien dat eensectorscan daar maar beperkt kanstoe ziet. Afhankelijk van de gesteldeeisen kan het dus zijn dataanvulling met andere techniekennodig is (ToFD, tandemtechniek).

Dikke vaten

De sectorscan speelt een steedsbelangrijker rol bij het ultrasoononderzoek van lassen in grotedikwandige vaten (figuur 7). Deredenen zijn snelheid, flexibiliteit enbetrouwbaarheid.Bij het bouwen van grote vatenheeft het toepassen van ultrageluid

Figuur 1: werking van een eendimensionale array, Figuur 2: andere vormen vanarrays, Figuur 3: Time of Flight Diffraction Techniek (ToFD),Figuur 4: tandemtechniek met een phased array

XX Metallerie 95 • November 2006 XXMetallerie 95 • November 2006MMT0095A37 • versie 0

1

33

2

4

5 6 6 6

alle delen van de lasvoorbewerkingloodrecht aan te stralen is in ditgeval geen bezwaar. Als in een vande sectorscans een indicatie wordtgevonden, wordt ToFD gebruikt omde hoogte te meten. Op die manierkunnen de acceptatiecriteria zoalsbeschreven door de Code zonderbezwaar worden gehanteerd.Figuur 9 laat het mechaniek zienwaarmee de tasters langs de lasworden bewogen. Op vaten metdiameters van bijvoorbeeld 10 tot18 meter is op deze manier eenproductie haalbaar van 200 meterlas per dag.

Rondnaden in pijpleidingen

Een andere toepassing van phasedarrays is het onderzoek vanrondnaden in pijpleidingen(nieuwbouw): het zogenaamde AUT(‘Automated Ultrasonic Testing’). AUTverving het conventioneleröntgenonderzoek aan pijpleidingen(figuur 10) omstreeks het eind vande jaren tachtig. Momenteel wordt bij AUT steedsmeer conventionele apparatuurvervangen door phased array-apparatuur. Er worden twee phasedarrays gebruikt om het conventioneleconcept, dat vele tasters metverschillende hoeken en inverschillende combinaties gebruikt,te vervangen. De gebruiktetechnieken zijn hetzelfde als bijgebruik van conventionele tasters, endat moet ook omdat de uitvoering isgebonden aan normen. Vooral deAmerikaanse norm ASTM E 1961 isin dit verband relevant.De ToFD-techniek, die ook deeluitmaakt van het concept, wordtonveranderd met ‘conventionele’ToFD-tasters uitgevoerd (dat wilzeggen niet met phased arrays).In figuur 11 wordt links eenconventioneel tastersysteemgetoond, rechts een phased arraymet dezelfde functie. Ondanks hetfeit dat in het rechts getoondetastersysteem, behalve de tweephased array-tasters, ook nog tweeTOFD-tasters en twee extra tastersvoor detectie van dwarsfouten zijnaangebracht, is te zien dat hetaantal tasters is gehalveerd.Het grote voordeel van het gebruikvan phased arrays is de korterewerkvoorbereiding. Het opbouwenvan een tastersysteem gaat nu veelsneller: eerst enkele dagen, nu eenpaar uur. Ook kan nu in het veldsnel omgeschakeld worden van deene wanddikte of lasvorm naar deandere, omdat vervangen vantasters nu niet nodig is. Dieomschakeling was eerst een kwestievan uren, nu van minuten.Op een pijpenlegschip, zoalsgebruikt voor het leggen vanoffshore pijpleidingen, is het niet

ONDERZOEKONDERZOEK

Figuur 7: een gereed vat wordt uit de fabriekshal gereden, Figuur 8: afdekking van lasvolume en warmtebeïnvloede zone(WBZ) door phased array en TOFDFiguur 9: mechaniek voor het bewegen van de tasters langs de las, Figuur 10: röntgencrawler voor het onderzoek vanrondnaden in een pijpleiding, Figuur 11: conventioneel tastersysteem (links) en phased array-tastersysteem,Figuur 12: Ultrasone 2D-afbeelding van een sleuf in een stalen proefstuk

in plaats van radiografie grotevoordelen, bijvoorbeeld dat tijdenshet onderzoek het werk niet hoeft teworden stilgelegd. Bij radiografie isdat doorgaans in verband met hetstralingsgevaar wel nodig. Bijultrasoon onderzoek kan het lassentijdens het NDO gewoondoorgaan, als het nodig is dag ennacht. Een ander voordeel is dat deNDO-resultaten vrij kort na hetlassen beschikbaar zijn. Delasproductie kan daarom waarnodig tijdig de lasparametersbijstellen, voordat niet-acceptabelelasfouten geproduceerd gaanworden. Lasreparaties kunnen zovermeden worden.Indien vaten gebouwd wordenonder de ASME Boiler & PressureVessel Code (ASME Section I enVIII, Div. 1 en 2) is het vervangenvan radiografisch onderzoek doorultrasoon onderzoek mogelijk alswordt voldaan aan de eisen vanASME Code Case 2235. Ditdocument geeft daarvoor een aantalvoorwaarden, zoals: • meetgegevens moeten digitaalworden opgeslagen • er moeten specifiekeacceptatiecriteria worden gebruikt • ook de warmtebeïnvloede zonemoet worden onderzocht,bijvoorbeeld 25 mm aanweerszijden van de las.Het voldoen aan de gegevenacceptatiecriteria is een lastigeopgave. Het is daarvoor nodig dathet NDO een uitspraak doet overde hoogte van een gevondenlasafwijking. ToFD is daarvoor eengeschikte methode. Echter, ombehalve de las ook dewarmtebeïnvloede zone te kunnenonderzoeken zijn doorgaans driescans naast elkaar nodig, wat hetonderzoek tijdrovend maakt. Phased arrays brengen hier uitkomst.Door het toevoegen van een phasedarray-taster aan beide zijden van delas kan de hele las onderzochtworden in één enkeleaftastbeweging. De las zelf wordtonderzocht met ToFD. Van eventuelelasafwijkingen wordt direct dehoogte gemeten en getoetst aan deacceptatiecriteria. Dewarmtebeïnvloede zone wordtafgedekt door de sectorscans, diebovendien ook het lasvolume nogeens afdekken en zorgen voor eenoppervlakteonderzoek. Figuur 8toont hoe het gehele volume wordtafgedekt.Eén en hetzelfde concept istoepasbaar voor alle dikten tussen13 en 200 mm. Om te kunnenvoldoen aan de ASME Code Casewordt een reeks referentieblokkengebruikt. Een rekenmodel isbehulpzaam bij het berekenen vanhet afgedekte volume.Dat de sectorscan niet in staat is om

ongewoon dat met behulp vanautomatisch lassen een productievan 15 lassen per uur of zelfs meerwordt gemaakt. Het AUT kan dittempo bijhouden. Elke paar minutenwordt een las gemaakt, onderzochten gecoat en verdwijnt weer 12,24, 36 of 48 meter pijp in zee.Omdat alleen AUT deze snelhedenkan halen heeft dit inmiddels hetRöntgenonderzoek vrijwel geheelvervangen. En momenteel wordendaarvoor steeds meer phased arraysingezet. Redenen? Nog meeroperationele flexibiliteit, snelheid eneen hoge betrouwbaarheid.

‘Array’ zonder ‘phased’

Ten slotte nog een andere manierom een array te gebruiken voorlasonderzoek. Deze is bedoeld omtwee- of zelfs driedimensionaleafbeeldingen van een lasfout tekunnen maken. In de medischediagnostiek doet men dat al, maardat is alleen maar mogelijk omdatmen door een orgaan of foetusheen ook informatie van deachterkant kan verzamelen. In hetNDO gaat dat niet, omdat lasfoutendoorgaans niet transparant zijn voorgeluidsgolven.Er moest daarvoor dus een andereoplossing worden ontwikkeld. Dezewerd gevonden in een principe uitde seismiek, voor het in kaartbrengen van aardlagen ten behoevevan olie- en gaswinning. Er wordt hier geen bundel opgewektdoor een aantal elementen metonderlinge tijdsverschillen, maar erwordt slechts één element tegelijkgebruikt om te zenden. Alleelementen staan op ontvangen ende ontvangen informatie wordtopgeslagen. Tussen deze signalenzitten ook die van een eventueelaanwezige lasfout. Dit wordt herhaald met de andereelementen. Er wordt zo een grotehoeveelheid ‘onsamenhangende’signalen verkregen. Als echtergebruik wordt gemaakt vanzogenaamde ‘Inverse GolfExtrapolatie’ is men in staat om inde computer te reconstrueren waaral de signalen vandaan kwamen.Het resultaat is een twee- of zelfsdriedimensionale afbeelding van delasfout, zelfs van de achterkant. Ziefiguur 12.Aan dit principe wordt bij RTDgewerkt samen met TU Delft. Delaboratoriumresultaten zijn ergbemoedigend. Uiteraard is er nogeen lange weg te gaan alvorens debruikbaarheid en betrouwbaarheidvan deze techniek op lasfoutenaangetoond zullen zijn. Maar hetgeeft wel aan dat we nog lang nietaan het eind van de mogelijkhedenvan de toepassing van PhasedArrays zijn. o

XX Metallerie 95 • November 2006 XXMetallerie 95 • November 2006MMT0095A37 • versie 0

7

9

8

10

11

12

11