Detección de defectos de matriz en fases para tuberías de acero sin costura

Las tuberías de acero sin costura de alta calidad se utilizan ampliamente en las industrias aeroespacial, militar, nuclear y otras, que imponen demandas cada vez más estrictas a las técnicas de prueba no destructivas, lo que requiere escaneo ultrasónico de todo el cuerpo de la tubería. Equipo de prueba ultrasónico automático tradicional para Tubos de acero sin costura Utiliza principalmente tecnología de sonda de matriz multicanal para mejorar la eficiencia de detección. Sin embargo, debido a que el tamaño de la sonda supera el ancho del haz de sonido, no logra una cobertura completa del cuerpo de la tubería. Este documento presenta la tecnología ultrasónica de matriz en fase que utiliza matrices cilíndricas y axiales circunferenciales completas, examina un método de escaneo integral de una sola pasada para defectos oblicuos arbitrarios y desarrolla varios tipos de equipos ultrasónicos de matriz en fase automatizados para tubos y varillas para lograr una cobertura completa del cuerpo de la tubería, mejorando así las capacidades de detección y confiabilidad.

La producción de tuberías de acero juega un papel crucial en la economía nacional, lo que lleva a las naciones de todo el mundo a priorizar los avances en su tecnología de fabricación. Las tuberías de acero sin costura se utilizan principalmente en entornos de alta temperatura, alta presión y resistentes a la corrosión, así como en sectores industriales críticos. Si bien algunas tuberías transportadoras y tuberías estructurales han sido parcialmente reemplazadas por tuberías soldadas, se espera que la producción de tuberías de acero sin costura acelere con la mayor adopción de palanquillas de fundición continua rentables. A medida que las industrias exigen una mayor calidad, diversidad y eficiencia en tuberías de acero sin costura, los avances tecnológicos contemporáneos se han integrado en múltiples etapas de la producción de tuberías de acero. Los procesos de producción de tuberías de acero sin costura pueden provocar defectos como líneas rectas, grietas, grietas transversales y delaminación. Las pruebas ultrasónicas son particularmente efectivas para detectar estos defectos. Bien puede controlar el nivel de calidad de las tuberías de acero sin costura. Las tuberías de acero sin costura son especialmente adecuadas para la implementación de la automatización de detección de defectos por ultrasonidos debido a su apariencia regular. Las pruebas ultrasónicas garantizan eficazmente la calidad de las tuberías de acero sin costura. La geometría consistente de las tuberías de acero sin costura las convierte en candidatos ideales para la detección automática de defectos por ultrasonidos. Debido a su alta confiabilidad y capacidades avanzadas, las pruebas no destructivas han reemplazado cada vez más las pruebas de presión de agua.

La tecnología de matriz en fase, actualmente el método de prueba por ultrasonidos más frecuente, ofrece varias ventajas clave: densidad de haz alto, reconocimiento rápido y sencillo de formas de onda de defectos, enfoque dinámico de profundidad, ajuste electrónico del ángulo del haz, comodidad operativa y generación simultánea de múltiples haces con ángulos variables y longitudes focales. La tecnología de matriz en fase se utiliza ampliamente. El empleo de la tecnología de matriz en fase en las pruebas ultrasónicas de tuberías de acero sin costura reduce significativamente el tiempo de calibración del sistema y mejora la relación señal-ruido. La tecnología de multiplexación de haz múltiple simplifica la complejidad de la maquinaria sin alterar la funcionalidad del equipo. La tecnología de matriz en fase detecta eficazmente la delaminación y los defectos transversales a menudo pasados por alto por el ultrasonido convencional de escaneo en fase. Además, la tecnología de matriz en fase que utiliza matrices axiales permite que las sondas longitudinales detecten eficazmente defectos oblicuos. Los sistemas de matriz en fase que emplean matrices cilíndricas de círculo completo pueden realizar imágenes de escaneo en C sin necesidad de codificadores circunferenciales externos. La detección de fallas de matriz en fase en tuberías de acero sin soldadura utiliza el escaneo de línea, donde los haces generados por los elementos de matriz con variando las secuencias de activación en un ángulo de emisión fijo crean colectivamente una imagen. El punto de escaneo avanza linealmente, produciendo una parallelogram-shaped imagen en un ángulo de haz específico. La figura 1 ilustra el diagrama esquemático del proceso de escaneo de línea.

Figura 1 Escaneo de línea

El escaneo de línea tiene las siguientes características:

1) El escaneo de línea de matriz en fase permite la dirección del haz en ángulos específicos, lo que facilita inspecciones de área extensas en ángulos consistentes y detecta de manera efectiva fallas tanto longitudinales como transversales.

2) El escaneo de línea de matriz en fase sin ángulo es adecuado para la detección en capas.

3) El área de cobertura no necesita mover la sonda para lograr una detección completa del área objetivo.

En este artículo se presenta la prueba de ultrasonidos de matriz en fase (PAUT) para la inspección de tuberías de acero sin costura. Para tuberías de gran diámetro, se suele utilizar PAUT utilizando matrices axiales. En cambio, las tuberías de pequeño diámetro se inspeccionan utilizando PAUT con matrices cilíndricas circunferenciales completas. La tecnología de matriz en fase axial suele abarcar funciones como la detección de defectos longitudinales (oblicuos) y transversales, así como la medición de espesor. Se elige una sonda de matriz en fase lineal unidimensional, con sus elementos activos alineados a lo largo del eje longitudinal de la tubería de acero sometida a inspección. La detección longitudinal utiliza un ángulo de haz fijo, con el haz ultrasónico escaneado linealmente a lo largo del eje activo de la sonda. La detección oblicua se basa en la sonda longitudinal empleando la tecnología de matriz en fase para dirigir electrónicamente el haz a lo largo del eje activo, junto con con el ángulo físico de la sonda, para generar el haz oblicuo deseado. El ángulo oblicuo se controla electrónicamente, como se ilustra en El rango de detección de ángulo oblicuo se extiende hasta 45 °. Para detectar eficazmente defectos con ángulos de inclinación más grandes, el paso del elemento de la sonda debe minimizarse, idealmente menos de la mitad de la longitud de onda del ultrasonido emitido. Se recomienda establecer el aumento angular para el escaneo del ángulo de inclinación en 2,5 °. El ultrasonido de matriz en fase permite la detección simultánea de defectos en múltiples ángulos de inclinación; sin embargo, aumentar el número de ángulos detectados simultáneamente puede reducir la velocidad general de detección de defectos. La figura 3 ilustra el diagrama esquemático de configuraciones de detección longitudinal y oblicua.

Figura 2 Disposición de sonda longitudinal / oblicua de matriz en fase

Figura 3 Diagrama esquemático de detección longitudinal / oblicua

En la detección transversal, la sonda de matriz en fase se coloca perpendicular a la superficie de la tubería de acero, con sus elementos activos alineados a lo largo del eje longitudinal de la tubería. El instrumento de matriz en fase genera simultáneamente leyes de enfoque duales para producir haces de onda de corte hacia adelante y hacia atrás (típicamente 45 ° -70 °), lo que permite una inspección bidireccional para una detección completa de defectos transversales. Para permitir una dirección electrónica eficaz del haz, la sonda de matriz en fase debe utilizar un paso de elemento pequeño y una frecuencia moderada, como se ilustra en la Figura 4.

Figura 4 La detección transversal

Para mediciones de espesor en capas, la sonda de matriz en fase está orientada normal a la superficie de la tubería con su eje activo alineado paralelo al eje longitudinal de la tubería. El instrumento de matriz en fase genera simultáneamente leyes de enfoque duales - incluyendo haces de onda longitudinales de 0 ° optimizados para resolución de capas y medición de espesor. Para una resolución longitudinal mejorada en mediciones de capa / espesor, se recomienda una frecuencia de sonda moderadamente mayor, como se ilustra en la Figura 5.

Figura 5 Medición de capas / espesor

Este método se aplica a escenarios de detección de fallas donde la tubería de acero gira en su lugar con la sonda moviéndose a lo largo de su eje o avanza en espiral mientras la sonda permanece estacionaria. Para evitar defectos perdidos, la velocidad de movimiento de la sonda debe sincronizar con la rotación de la tubería de acero, asegurando que la sonda avance menos del 85% de su ancho efectivo de haz por rotación.

En la tecnología de matriz en fase de matriz cilíndrica de circunferencia completa, se utiliza una sonda cilíndrica de matriz lineal unidimensional, con su eje activo alineado a lo largo de la circunferencia de la tubería de acero bajo inspección. Esta configuración permite capacidades de detección integrales, que incluyen mediciones de espesor longitudinales, en capas y transversales. Longitudinal 1 detección de medición de capas / espesor no se basa en el ángulo de deflexión físico, sino que utiliza un haz de sonido electrónico para desviar la circunferencia y cooperar con con el movimiento de barrido lineal en el eje activo para la detección. Se emplean cuatro leyes de enfoque: haces de sonido oblicuos de onda de corte en sentido horario y antihorario para la detección bidireccional de defectos longitudinales, y dos haces de sonido de onda longitudinal de 0 ° para mediciones de capas y espesor de pared. El principio se ilustra en la Figura 6.

Figura 6 La ley de enfoque de la detección de matriz en fase de matriz cilíndrica de círculo completo

El sistema de matriz en fase de circunferencia completa utiliza conjuntos de sondas cilíndricas que rodean la tubería para lograr una inspección ultrasónica completa durante el recorrido lineal de la tubería. El sistema se adapta a diferentes diámetros de tubería ajustando el número de sondas cilíndricas para garantizar una cobertura circunferencial completa. Los conjuntos de sondas están dispuestos con superposición de obleas especificada entre unidades adyacentes, como se ilustra en la Figura 7.

Figura 7: Diagrama Esquemático de la Cobertura Longitudinal, en Capas y de la Sonda de Espesor

En la detección transversal, la sonda de matriz en fase utiliza ángulos de deflexión física para la detección de fallas, con el haz de sonido electrónico se mueve linealmente a lo largo del eje activo de la sonda. El diseño de la oblea de la sonda es de forma cónica, como se muestra en la Figura 8.

Figura 8 Cobertura de sonda transversal

La tecnología de matriz en fase permite una detección completa de defectos tanto longitudinales como transversales mediante el uso de una sonda compacta unidimensional de matriz en fase lineal combinada con de barrido en forma de abanico. Para detectar defectos oblicuos que van de 0 ° a 60 °, se utiliza una sola sonda con su eje activo alineado paralelo al eje de la tubería de acero. La sonda está inclinada físicamente a dirigir las ondas acústicas sobre la superficie de la tubería. Utilizando leyes de enfoque de barrido en forma de abanico, la resolución se establece normalmente en 0,5 °, y el rango de barrido se extiende de -30 ° a 30 °, identificando eficazmente todos los defectos oblicuos dentro de este rango angular. Este enfoque también es compatible con detección de defectos longitudinales. Al configurar dos sondas para la incidencia en sentido horario y antihorario, se consigue la detección bidireccional de defectos oblicuos, como se ilustra en la Figura 9 (a).

Para defectos oblicuos entre 45 ° y 90 °, se utiliza una sola sonda con su eje activo perpendicular al eje de la tubería de acero. El ángulo de inclinación físico de la sonda facilita la insonificación efectiva de la tubería. La aplicación de leyes de enfoque de escaneo en forma de abanico con una resolución de 0,5 ° y un rango de escaneo de -30 ° a 30 ° permite la detección de todos los defectos oblicuos dentro de este sector. Este método también es adecuado para la detección de defectos transversales. La implementación de dos sondas para incidencia hacia adelante y hacia atrás permite la detección de defectos oblicuos bidireccionales, como se muestra en la Figura 9 (b). El uso de sondas ajustadas a 0 ° - 60 ° y 45 ° - 90 ° orientación permite la detección de defectos oblicuos en cualquier ángulo dentro del rango de 0 ° - 90 °.

(A) Detección de 0 a 60 ° en el sentido de las agujas del reloj (b) Detección de 45 a 90 ° en el sentido oblicuo

Figura 9 La detección oblicua

Para evaluar las capacidades de detección, se introdujeron defectos artificiales en tuberías de acero sin costura con las siguientes especificaciones: 356 mm × 20 mm, 38 mm × 0,5 mm y 60 mm × 15 mm. Estos defectos fueron diseñados para emular los encontrados en tuberías de acero sin costura reales, con dimensiones determinadas en base a estándares de la industria.

Los defectos fueron categorizados y detallados de la siguiente manera:

Defecto 1: Ranura longitudinal en la pared exterior, que mide 25 mm de longitud, 1,0 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 2: Ranura transversal en la pared interior, que mide 25 mm de longitud, 1,0 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 3: Ranura longitudinal en la pared interior, que mide 25 mm de longitud, 1,0 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 4: Ranura transversal en la pared exterior, que mide 25 mm de longitud, 1,0 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 5: Agujero de fondo plano con un diámetro de 6 mm y una profundidad de 10 mm.

Cada defecto se colocó a 200 mm de su extremo respectivo.

Figura 10: Diagrama de distribución de defectos de la tubería de muestra de 356 mm × 20 mm

Descripciones de defectos:

Defecto 1: muesca longitudinal en la pared exterior, que mide 10 mm de longitud, 0,1 mm de profundidad y 0,2 mm de ancho.

Defecto 2: muesca transversal en la pared interior, que mide 10 mm de longitud, 0,1 mm de profundidad y 0,2 mm de ancho.

Defecto 3: muesca longitudinal en la pared interior, que mide 10 mm de longitud, 0,1 mm de profundidad y 0,2 mm de ancho.

Defecto 4: muesca transversal en la pared exterior, que mide 10 mm de longitud, 0,1 mm de profundidad y 0,2 mm de ancho.

Defecto 5: Agujero de fondo plano con de 6 mm de diámetro y 10 mm de profundidad.

Colocación de defectos:

Los defectos 1 a 4 se colocan a 50 mm de sus respectivos extremos.

Los defectos 5 y 6 están ubicados centralmente a lo largo de la longitud de la tubería de acero.

Figura 11: Diagrama de distribución de defectos para la tubería de muestra de 38 mm × 0,5 mm

Defecto 1: Ranura transversal en la pared exterior, que mide 25 mm de longitud, 0,75 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 2: Ranura de la pared exterior orientada en un ángulo de 10 ° con respecto al eje de la tubería, midiendo 25 mm de longitud, 0,75 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 3: Ranura de la pared exterior orientada en un ángulo de 20 ° con respecto al eje de la tubería, midiendo 25 mm de longitud, 0,75 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 4: Ranura de la pared exterior orientada en un ángulo de 30 ° con respecto al eje de la tubería, midiendo 25 mm de longitud, 0,75 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 5: Ranura de la pared exterior orientada en un ángulo de 40 ° con respecto al eje de la tubería, midiendo 25 mm de longitud, 0,75 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 6: Ranura de la pared exterior orientada en un ángulo de 50 ° con respecto al eje de la tubería, midiendo 25 mm de longitud, 0,75 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 7: Ranura de la pared exterior orientada en un ángulo de 60 ° con respecto al eje de la tubería, midiendo 25 mm de longitud, 0,75 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 8: Ranura de la pared exterior orientada en un ángulo de 70 ° con respecto al eje de la tubería, midiendo 25 mm de longitud, 0,75 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Defecto 9: Ranura longitudinal en la pared exterior, que mide 25 mm de longitud, 0,75 mm de profundidad y 0,3 mm de ancho.

Figura 12: Distribución de defectos para el tubo de muestra de 60 mm × 15 mm

Tubo de muestra 356x20mm Se utiliza para probar la tecnología de matriz en fase basada en la matriz axial, y los resultados de detección se muestran en la Figura 13. El tubo de muestra 38x0,5mm se utiliza para probar la tecnología de matriz en fase de matriz cilíndrica circunferencial completa, y los resultados de detección se muestran en la Figura 14. El tubo de muestra de 60 × 15 mm se utilizó para evaluar la tecnología de detección de matriz en fase para defectos oblicuos integrales, incluidos los tipos longitudinal y transversal; los resultados de detección se presentan en la Figura 15.

Figura 13: Resultados de la prueba de matriz en fase para el tubo de muestra de 356 × 20 mm

Figura 14: Resultados de la prueba de matriz en fase para el tubo de muestra de 38 × 0,5 mm

(A) Diagrama de detección para 0-60 ° (b) Diagrama de detección para 45-90 °

Figura 15: Resultados de la prueba de matriz en fase para el tubo de muestra de 60 × 15 mm

Las pruebas antes mencionadas se coordinaron meticulosamente, alineando el ancho efectivo del haz de la sonda, el paso y las velocidades de transmisión y rotación de la tubería de acero. Cada prueba se realizó varias veces para analizar estadísticamente la aparición de falsas alarmas.

Pueden cumplir con los requisitos del estándar YB / T4082-2011 "Método de prueba de rendimiento integral del sistema de detección de defectos ultrasónico automático de tuberías de acero". Al mismo tiempo, los defectos artificiales se graban de acuerdo con el estándar GB / T 5777-2008 "Método de detección de defectos ultrasónicos para tuberías de acero sin costura", y la relación señal-ruido puede alcanzar más de 10dB. Puede satisfacer las necesidades de las pruebas ultrasónicas automatizadas.

El sistema cumple con con el estándar YB / T 4082-2011, "Método de prueba de rendimiento integral de tubería de acero Sistema automático de detección de fallas por ultrasonidos". Los defectos artificiales se introducen de acuerdo con con el estándar GB / T 5777-2008, "Método de detección de fallas por ultrasonidos para tuberías de acero sin costura", logrando una relación señal-ruido superior a 10 dB, cumpliendo así los requisitos para pruebas ultrasónicas automatizadas. La implementación de la tecnología de matriz por fases simplifica el funcionamiento del usuario, mejora el rendimiento del sistema, disminuye la probabilidad de detecciones perdidas y mejora la calidad del producto.