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Controlli a ultrasuoni con alte temperature


Contesto: Sebbene la maggior parte di rilevamenti di difetti e di misure di spessori ad ultrasuoni sono eseguiti a temperature ordinarie, esistono molte situazioni nelle quali è necessario ispezionare componenti ad alte temperature. Questo si verifica soprattutto nelle industrie di processo dove le tubazioni o i contenitori metallici devono essere ispezionati senza arrestare la produzione per farli raffreddare. Inoltre vi sono anche altre situazioni produttive che interessano componenti ad alta temperatura, come le tubazioni di plastica estrusa, parti in plastica stampate termicamente, lingotti in metallo o componenti pressofuse che devono essere ispezionate prima del raffreddamento. I trasduttori ad ultrasuoni convenzionali supportano le temperature fino ad approssimativamente 50° C. A delle temperature più elevate si subiranno dei danni permanenti causati da una perdita di adesione interna da espansione termica. Se l'ispezione si rivolge a materiali con una temperatura più elevata di 50°C, bisogna di conseguenza usare dei trasduttori destinati a questo tipo d'ispezione, utilizzando delle tecniche specifiche.

Questa nota dell'applicazione contiene delle informazioni a rapida consultazione inerenti la scelta di trasduttori e accoppianti per alte temperature e i fattori importanti relativi al loro uso. Si riferisce alle ispezioni ad ultrasuoni convenzionali di componenti fino a circa 500° C o 1000° F. Nelle applicazioni relative alla ricerca che interessano temperature superiori a queste, vengono impiegate delle tecniche altamente specializzate a onde guidate. Questo soggetto esula dalle finalità di questa nota.

1. Trasduttori
I trasduttori ad alta temperatura Olympus rientrano in due categorie: trasduttori a doppio elemento e trasduttori con linea di ritardo. In entrambi i casi il materiale della linea di ritardo, interno nel caso dei trasduttori a doppio elemento, ha la funzione di isolamento termico tra l'elemento del trasduttore attivo e la superficie da ispezionare caratterizzata da un'elevata temperatura. Per ragioni progettuali non esistono trasduttori a contatto o a immersione nella linea di prodotti standard. I trasduttori a doppio elemento e a linea di ritardo per le alte temperature sono disponibili per le applicazioni di misura di spessori e di rilevamento di difetti. Come per tutte le ispezioni ad ultrasuoni, il trasduttore ottimale per una data applicazione è dato da specifiche esigenze di ispezione come il materiale, l'intervallo dello spessore, la temperatura e, nel caso del rilevamento di difetti, il tipo e la dimensione dei difetti significativi.

(a) Misura di spessori
L'applicazione più comune per la misura di spessore a alte temperature consiste nel rilevamento della corrosione, misurando lo spessore metallico residuo in tubazioni e contenitori a alte temperature mediante misuratori di corrosione come i Modelli 38DL PLUS e 45MG. La maggior parte dei trasduttori progettati per essere usati con i misuratori di corrosione Olympus sono adatti per le applicazioni ad alte temperature. I trasduttori della serie D790 più comunemente utilizzati possono essere impiegati su superfici ad alta temperatura fino a 500° C o 930° F. Per un elenco completo dei trasduttori a doppio elemento per i misuratori di corrosione che comprendono specifiche relative alle temperature, riferirsi al link: Corrosion Gage Duals.

Per applicazioni di misura di spessore di precisione mediante i Modelli 38DL PLUS o 45MG con Software Single Element come nel caso dell'ispezione di plastiche a alte temperature, qualunque trasduttore a linea di ritardo Miroscan standard della serie M200 (inclusi i trasduttori per la misura di difetti M202, M206, M207 e M208) può essere dotato di linee di ritardo a alte temperature. Le linee di ritardo DLHT-1, DLHT--2 e DLHT-DLHT--3 possono essere usate fino a 260° C o 500° F. Le linee di ritardo DLHT-101, DLHT--201 e DLHT--301 possono essere usate fino a 175° C o 350° F. Queste linee di ritardo sono riportate nel documento Delay Line Option Chart.

Nelle applicazioni complesse che richiedono trasduttori a bassa frequenza per un incremento della penetrazione i trasduttori Videoscan Replaceable Face e le adeguate linee di ritardo per alte temperature possono essere usati con i misuratori di spessore 38DL PLUS e 45MG  che integrano l'opzione software HP (high penetration). Sono necessarie delle configurazioni personalizzate dei trasduttori. Le linee di ritardo standard per questa serie di trasduttori possono essere usate a contatto di superfici fino a 480° C o 900° F. Per un elenco completo di trasduttori e di linee di ritardo, riferirsi al link: Replaceable Face Transducers.

(b) Rilevamento di difetti
Come nel caso di applicazioni di misura di spessori a alta temperatura il rilevamento di difetti a alta temperatura deve in genere usare trasduttori a doppio elemento o a linea di ritardo. Tutti i trasduttori a doppio elemento Olympus per il rilevamento di difetti assicura l'applicabilità ad alte temperature. I trasduttori a doppio elemento Fingertip, Flush Case e Extended Range con frequenza pari o inferiore a 5 MHz possono essere usati fino a circa 25° C o 800° F mentre trasduttori a frequenza superiore (da 7,5 a 10 MHz) possono essere usati fino a circa 175° C o 350° F. Per un elenco completo di trasduttori di questa categoria, riferirsi al link: Flaw Detection Duals.

Tutti i trasduttori Videoscan Replaceable Face possono essere usati con appropriate linee di ritardo per alte temperature nelle applicazioni di rilevamento di difetti. Le linee di ritardo disponibili per questa serie di trasduttori possono essere usate a contatto di superfici fino a 480° C o 900° F. Per un elenco completo di trasduttori e di linee di ritardo adatti per diverse temperature massime, riferirsi al link: Replaceable Face Transducers.

Nelle applicazioni relative all'ispezione di componenti sottili vengono in genere usati trasduttori della serie V200 (comunemente il V202, V206, V207 e V208) ognuno dei quali può essere dotato di linee di ritardo per alte temperature. Le linee di ritardo DLHT-1, DLHT-2 e DLHT-3 possono essere usate su superfici fino a 260° C o 500° F. Le linee di ritardo DLHT-101, DLHT-201 e DLHT-301 possono essere usate su superfici fino a 175° C o 350° F. Questi trasduttori e linee di ritardo sono riportate nell'elenco Delay Line Transducer List.

Inoltre offriamo zoccoli speciali per alte temperature da usare con trasduttori a fasci angolari: la serie ABWHT per temperature fino a 260° C o 500° F e la serie ABWVHT per temperature fino a 480° C o 900° F. Maggior informazioni sulle dimensioni disponibili possono essere richieste all'Ufficio Vendite.

2. Accoppianti
La maggior parte degli accoppianti usati nelle ispezioni ad ultrasuoni come il polipropilene, la glicerina e i gel evaporano rapidamente se sono usati su delle superfici la cui temperatura supera i 100° C. Di conseguenza bisogna usare degli accoppianti speciali durante le ispezioni a temperature elevate. Questi accoppianti devono restare sotto forma liquida o pastosa senza evaporare per ebollizione, bruciare o produrre dei fumi tossici. È importante conoscere l'intervallo di temperatura specificato per l'uso, limitandosi a un utilizzo solamente in questo specifico intervallo. L'uso di accoppianti al di fuori dell'intervallo di temperatura di utilizzo può causare un'efficacia acustica scadente e/o dei rischi di infortuni.

A temperature altissime, perfino accoppianti concepiti per le alte temperature possono essere usati velocemente in quanto tendono a seccarsi o solidificarsi non potendo più trasmettere energia ultrasonora. I residui secchi di accoppianti dovrebbero essere rimossi dalla superficie di ispezione e dal trasduttore prima della misura successiva.

Notare che l'accoppiamento dell'onda trasversale con incidenza normale è in genere non possibile a alte temperature in quanto gli accoppianti commerciali per onde trasversali liquefanno e perdono l'elevata viscosità necessaria per la trasmissione di onde trasversali.

Olympus offre due tipi di accoppianti per alte temperature:

Accoppiante G - Accoppiante per medie temperature che può essere usato fino a 315°C o 600°F.

Accoppiante H - Accoppiante a alte temperature che può essere usato in ambienti aperti a temperature fino a 510° o 950°F.

Notare che gli accoppianti per temperature medie e alte non dovrebbe essere usati in aree non ventilate a causa della remota possibilità di autocombustione dei vapori. Consultare Olympus per maggior informazioni.

Per un elenco completo dell'elenco di accoppianti disponibili per Olympus insieme alle rispettive note, riferirsi alla nota dell'applicazione Ultrasonic Couplants.

3. Tecniche di ispezione
I seguenti fattori dovrebbero essere tenuti in considerazione per stabilire la procedura di ispezione per qualunque applicazione a alta temperatura:

Ciclo operativo: Tutti i trasduttori standard per elevate temperature sono progettati tenendo presente un ciclo operativo. Sebbene la linea di ritardo isola la parte interna dei trasduttori, un prolungato contatto con superfici a altissime temperature causa un accumulo di calore con possibili danni permanenti al trasduttore se la temperatura interna raggiunge un'elevata soglia. Per la maggior parte dei trasduttori a doppio elemento o a linea di ritardo, il ciclo operativo per temperature delle superficie comprese approssimativamente tra 90° C e 425° C (da 200° F a 800° F) è inferiore a dieci secondi di contatto con superfici molto calde (consigliato cinque secondi), seguito da un minimo di un minuto di raffreddamento all'aria. Notare che questa rappresenta solamente una linea guida. Il rapporto tra il tempo di contatto e la durata di raffreddamento è ancora più critica nel limite superiore dell'intervallo delle temperature del trasduttore. Come regola generale, se il telaio del trasduttore diventa eccessivamente caldo per essere tenuto con la mano, significa che la sua temperatura interna ha raggiunto una temperatura che rischia di danneggiarlo. È necessario quindi permettere al trasduttore di raffreddarsi prima di continuare l'ispezione. Alcuni utenti hanno impiegato acqua per accelerare il raffreddamento. Tuttavia Olympus non ha pubblicato linee guide relative al raffreddamento ad acqua pertanto la sua adeguatezza di applicabilità deve essere determinata dagli utenti.

I rilevatori di difetti della serie Epoch Olympus e tutti i misuratori di spessore possiedono delle funzioni Freeze (bloccaggio) che possono essere usate per bloccare la lettura e la forma d'onda visualizzate. La funzione Freeze è molto utile per le misure a alte temperature in quanto permette all'operatore di acquisire una lettura e rimuovere velocemente il trasduttore dalla superficie molto calda. Con i misuratori la modalità di aggiornamento veloce dello schermo dovrebbe essere usato per minimizzare il tempo di contatto.

Tecnica di accoppiamento: La combinazione delle esigenze del ciclo operativo del trasduttore e la tendenza degli accoppianti a solidificare o a evaporare in prossimità del limite superiore dell'intervallo di temperatura operativo richiede una veloce manualità da parte dell'operatore. Molti utenti hanno trovato la tecnica ottimale per poter applicare una goccia di accoppiante sulla superficie del trasduttore premendo saldamente il trasduttore sulla superficie da ispezionare senza ruotarlo o grattarlo (ciò può causare l'usura del trasduttore). Ogni residuo secco di accoppiante dovrebbe essere rimosso dal trasduttore prima della misura successiva.

Incremento del guadagno: I misuratori 38DL PLUS e 45MG possiedono delle funzionalità di incremento regolabile del guadagno da parte dell'utente, come i rilevatori di difetti della serie Epoch. A causa dei maggiori livelli di attenuazione associati con le misure ad alta temperatura, è spesso utile aumentare il guadagno prima di effettuare delle misure.

Variazione della velocità:La velocità di propagazione delle onde ultrasonore cambiano con la temperatura in tutti i materiali. In effetti la velocità diminuisce all'aumentare della temperatura. Una precisa misura degli spessori di materiali molto caldi richiede sempre una nuova taratura della velocità. Nell'acciaio la velocità cambia di circa l'1% ogni 55° C. Il valore esatto varia in base alla lega. Nelle plastiche e in altri polimeri, la variazione è considerevolmente maggiore e può avvicinarsi al 50% ogni 55° C di cambiamento della temperatura fino al punto di fusione. Se non esiste il tracciato della temperatura o della velocità di propagazione, è necessario effettuare una taratura della velocità su un campione del materiale da ispezionare alla temperatura reale d'ispezione. La funzione software di compensazione della temperatura nel misuratore 38DL PLUS può essere usato per regolare automaticamente la velocità per delle temperature elevate note in base a una costante temperatura/velocità programmata.

Ritaratura dello “zero”: Quando si esegue la misura di spessori con trasduttori a doppio elemento, bisogna ricordarsi che il valore di offset zero per un dato trasduttore, cambia all'aumentare della temperatura a causa dei cambiamenti del tempo di transito attraverso la linea di ritardo. Pertanto è necessario una periodica taratura dello zero per mantenere la precisione delle misure. Con i misuratori di spessore Olympus questo può essere eseguito velocemente e facilmente attraverso la funzione auto-zero del misuratore, premendo semplicemente i tasti 2nd Funzione > DO ZERO.

Incremento dell'attenuazione: L'attenuazione sonora in tutti i materiali aumenta con la temperatura e l'effetto è molto più pronunciato nelle plastiche rispetto ai metalli e alle ceramiche. Nelle leghe di acciaio al carbonio a grana fine l'attenuazione a 5 MHz alla temperatura ambiente è di circa 2 dB per un percorso sonoro in una direzione di 100 mm (equivalente a un percorso bidirezionale di 50 mm per ogni direzione). A 500° C o 930° F, l'attenuazione aumenta approssimativamente a 15 dB per 100 mm di percorso sonoro. In base a questo effetto potrebbe essere necessario aumentare significativamente il guadagno dello strumento durante le ispezioni con dei lunghi percorsi sonori a delle temperature elevate. Può inoltre essere necessario regolare le curve DAC o TVG che sono state definite a temperature ambiente.

Gli effetti temperatura-attenuazione nei polimeri sono altamente dipendenti dai materiali, tuttavia saranno in genere diverse volte superiori ai numeri riportati precedentemente per l'acciaio. In particolare lunghe linee di ritardo per alte temperature soggette a un alto riscaldamento possono rappresentare una significativa origine di attenuazione totale in un'ispezione.

Variazione angolare negli zoccoli: Con gli zoccoli per le alte temperature, la velocità di propagazione dell'onda sonora nel materiale dello zoccolo diminuirà all'aumentare della temperatura del materiale mentre l'angolo di rifrazione nei metalli diminuirà all'aumentare della temperatura. Se questi aspetti influiscono sull'ispezione, è necessario verificare l'angolo di rifrazione alla temperatura reale di funzionamento. In pratica le variazioni della temperatura durante l'ispezione complicano spesso la precisa determinazione dell'angolo di rifrazione reale.

Olympus IMS

Prodotti per l'applicazione
L'EPOCH 650 è un rilevatore di difetti ad ultrasuoni convenzionali con eccellenti performance di rilevamento di difetti ed operatività per un ampia varietà di applicazioni. Questo intuitivo e robusto strumento è l'evoluzione del rilevatore di difetti EPOCH 600 di grande successo con delle funzionalità addizionali.

L'innovativo misuratore di spessori a ultrasuoni 45MG integra delle funzionalità di misura di serie e delle opzioni software. Questo eccezionale strumento di misura di spessore è compatibile con la nostra completa gamma di trasduttori per misuratori di spessori a singolo o doppio elemento.

Il versatile misuratore 38DL PLUS™ può essere usato in combinazione con i trasduttori a doppio elemento in diversi ambiti: dalla misura di tubazioni corrose mediante trasduttori a doppio elemento, alla misura molto precisa di spessori di componenti sottili in materiale multistrato mediante trasduttori a singolo elemento.

Il 27MG è un misuratore di spessori ad ultrasuoni di base progettato per eseguire misure precise di spessori da un lato in componenti o tubazioni in metallo corrose o erose internamente. È leggero, resistente e ergonomico per un funzionamento semplice con l'uso di una mano.
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