دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز

1. دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز گروه مهندس مواد روشهای پیشرفته غیر مخرب موضوع : PAUT (PHASE ARRAY ULTRASONIC) تهیه کننده : امین عموری استاد راهنما:دکتر معینی فر بهار 91

2. مقدمه: از میان روشهای مختلف آزمونهای غیر مخرب معرفی شده توسط انجمن تست های غیر مخرب آمریکا، از مهمترین و پرکار ترین روشها، روش آزمون امواج فراصوت است که کاربردی گسترده در تشخیص عیوب، از جمله ترک ها، عیوب ناشی از جوشکاری، ضخامت سنجی و ... دارد. در این روش امواج صوتی با فرکانس بالا ( محدوده فرکانس 0.1-25 هرتز) توسط مواد پیزوالکترونیک به درون ماده تابانده می شوند و بر اساس آنالیز امواج برگشت یافته از درون ماده، اطلاعات مورد نیاز را به ما ارائه می دهد. اما تعیین ماهیت دقیق نقص نسبتا مشکل بوده و به مهارت و تجربه شخص اپراتور بستگی فراوان دارد. [1] محدودیت های روش UT و نیاز به روشهایی بازرسی با بازدهی زمانی و هزینه ای و کیفی بیشتر ، منجر به ابداع روش های نوین تری برای بازرسی از مواد شده است. از جمله این روش های نوین روش Phased Array UT است.

3. - اصول PAUT عملکرد کلی PAUT همانند روش UT میباشد و تفاوت اصلی میان این دو روش در نوع پروب های مورد استفاده در این روشهاست. تفاوت دیگر این دو روش را می توان در نوع اسکن مورد استفاده دید، در UT از اسکن مکانیکی استفاده می شود و در PAUT از اسکن الکترونیکی.[2] پروبهای مورد استفاده در PAUT حاوی تعدادی زیاد سلول پیزوالکترونیک کوچک (اصولا 16 تا 256) می باشند که با ارسال و دریافت امواج فراصوت بصورت مجزا، توانایی نمایش عیوب موجود در قطعات با جزئیات بیشتری را دارند. ماهیت متفاوت نمایش اطلااعات در PAUT ( که عیوب را بصورت دو بعدی و با جزئیات بیشتری نشان میدهد)

4. نخستین دستگاههای آزمایشگاهی PAUT در سال 1992 در امریکا ساخته شدند ولی اولین دستگاه پروفایل Phased Array در سال 2002 ساخته شد و مدل x-32 نام گرفت. علت این نامگذاری، تجهیز دستگاه به 32 کانال فرستنده و گیرنده امواج بود(شکل شماره 1). لازم به ذکر است پیش از این تاریخ، مبدل های چند جزئی UT در پزشکی مورد استفاده بوده اند. [3,4] شکل 1 :اولین دستگاه پرتابل ساخته شده با سیستم PAUT (راست ) و مقایسه با نمونه های اولیه (چپ)

5. ساختار و تئوری PAUT : در این سیستم، پیزو الکترونیک های موجود در پروب های تک کریستال به تعداد زیادی المان تقسیم می شوند که عرض هر یک بسیار کوچکتر از طول آنهاست ( شکل شماره 2). هر یک از این المان ها، بطور مستقل از المان های دیگر تبدیل به یک منبع صوتی شده و بصورت مستقیم و کاملا مجزا و مستقل تحریک می شوند و به ارسال و در یافت امواج می پردازند. در واقع با این تکنولوژی می توان بجای استفاده از یک پروب در روش UT معمولی، از تعداد بیشتری پروب در کنار هم استفاده کرد( 16 تا 1024 پروب).[5] شکل 2: چیدمان پیزو الکترونیکها در پروبهای PAUT

6. با اعمال تاخیردر فاز، دامنه و زمان ارسال هر موج در هر المان نسبت به سایر المان ها و کنترل کامپیوتری این امواج می توان امواج فراصوت متمرکز تری را با قابلیت هدایت موج و کنترل پارامترهای معمول امواج صوت ( مانند زاویه تابش، فاصله کانونی اندازه منطقه کانونی و ...) ایجاد نمود. میزان این تاخیر در موج به نوع موج، زاویه بازگشت، عمق کانونی و طول المان های فعال شده برای ارسال آن موج بستگی دارد. اختلاف فاز میان امواج 2 المان (Δθ )، نمونه فازی نامیده می شود.[6] می دانیم بر اساس ماهیت امواج صوت، رابطه (1) برقرار است: رابطه بین مسافت طی شده توسط موج (x) و فاصله میان دو المان تابش کننده موج (d) و همچنین زاویه تابش هر موج به سطح را می توان از طریق معادله (1) بدست آورد و بر اساس روابط (2) و (3) نیز می توان اختلاف فاز میان هر دو موج را با کمک فاز هر موج تعیین نمود: که در این رابطه، λ طول موج است

7. در این روش با توجه به ماهیت شرح داده شده ارسال امواج و همچنین با توجه به هندسه و شکل المان های موازی پیزو الکتریک، امواج را در محدوده برای پروب های تماسی و برای پروبهای امواج برشی°70-30 ( عرضی) هدایت نمود. این امر، قابلیت متمرکز نمودن امواج در هر منطقه دلخواه و یا بررسی سطح ماده بدست می آورد[4]. ±25° همچنین این روش می تواند به بازرسان قابلیت بررسی ابعاد و هندسه کامل عیوب ناشی از خوردگی در خط لوله ونیز ردیابی انواع مختلف از ترکها در بدنه لوله و یا ساختار جوش – بدون توجه به جهت گیری ترک ها نسبت به راستای لوله- را نمایان سازد. شماتیک ساختار یک پروب PAUT در شکل شماره 4 دیده می شوند[7] و شکل شماره 5 تفاوت میان نحوه و قابلیت تشخیص پروبهای PAUT ( سمت راست) را در مقایسه با پروبهای تک کریستال UT( سمت چپ) نشان می دهند. [2]

8. همچنین این روش قابلیت بررسی ابعاد و هندسه کامل عیوب ، ردیابی انواع مختلف از ترکها در قطعات و یا ساختار جوش ، بدون توجه به جهت گیری ترکها را دارد. شماتیک ساختار یک پروب PAUT در شکل شماره 4 دیده می شوند[7] و شکل شماره 5 تفاوت میان نحوه و قابلیت تشخیص پروبهای PAUT ( سمت راست) را در مقایسه با پروبهای تک کریستال UT( سمت چپ) نشان می دهند. [2] شکل 4 : ساختار یک پروب PAUT شکل 5 تفاوت میان نحوه و قابلیت تشخیص پروبهای PAUT ( سمت راست) را در مقایسه با پروبهای تک کریستال UT( سمت چپ)

9. با توجه به ساختار پروبPAUT و نحوه هدایت امواج توسط این روش، همه عناصر توسط یک پالس الکتریکی یکسان و بصورت تاخیر فازی های کنترل شده تهیج می شوند. (شکل شماره 6)[2,8] دقت تصاویر حاصل از PAUT به عوامل متعددی بستگی دارد که مهمترین آنها را تداوم پالس می توان دانست. ( سایر عوامل عبارتند از فرکانس، دامنه و تاخیر فاز امواج ارسالی). شکل 6 : الگوی امواج التراسونیک ،هدایت کردن) تصویر سمت راست ) و تمرکز توسط سیستم PAUT (تصویر سمت چپ)

10. - الگو های کنترل پرتوها در روش PAUT سه الگو کنترل کامپیوتری بر روی پرتوها در روش PAUT تعریف شده است که عبارتند از.[5] الف) اسکن الکترونیکی: در این روش اسکن، تاخیر فازها بر روی المان های فعال پروب، بصورت گروهی تقسیم می شوند و نهایتا اسکن در طول پروب و در یک زاویه ثابت صورت می گیرد. بر اساس ثابت بودن این زاویه، می توان این روش اسکن را با به عنوان جایگزینی دقیق تر برای روش های سنتی UT توسط حرکت مکانیکی پروب های تک کریستال بکار برد. با کمک این تکنیک اسکن، علاوه بر عدم نیاز به حرکت مکانیکی پروب، می توان بازرسی توسط امواج برشی( عرضی) و بازرسی و تست مناطق خورده شده را سرعت بخشید( شکل شماره 7) شکل 7

11. ب) هدایت الکتریکی : در این روش، می توان از اصل اعمال تاخیر فاز موج های ارسالی به المان های مختلف پروب برای انحراف بصورت کنترل شده و دلخواه استفاده نمود. به عبارت دیگردر این روش امکان ایجاد امواج صوتی با زاویای مختلف حاصل می شود می توان این تکنیک اسکن را جایگزینی برای روش UT توسط پروب های تک کریستال با زوایای متفاوت دانست. بنابراین با کمک این تکنیک امکان بازرسی در زوایای مختلف در قطعات با اشکال هندسی نیز خوردگی های با اشکال متفاوت و متغیر همانند خوردگی حفره ای را توسط یک پروب وجود دارد. تصویر شماره 8 بیانگر نحوه اسکن نمودن جوش و بدنه لوله ها توسط این تکنیک می باشد. شکل 8 : نحوه اسکن نمودن جوش و بدنه لوله ها توسط تکنیک هدایت الکتریکی در PAUT

12. ج) تمرکز الکترونیکی : در این تکنیک، توسط اعمال تاخیر در ارسال امواج به المان های متفاوت، امواج صوتی در عمق های کانونی متفاوتی در طول محور موج هدایت می شوند. بر این اساس، این تکنیک را جایگزین مناسب برای استفاده از پروب های مختلف تک کریستال UT از نظر ابعاد جهت تمرکز در عمق های مختلف در نظر گرفت. شکل شماره 9 بیانگر شماتیک تاخیرهای فاز الکتریکی در این تکنیک و رابطه آن با میزان تمرکز عمق است. شکل 9 : شماتیک تاخیرهای فاز الکتریکی در تکنیک تمرکز الکترونیکی PAUT

13. تجهیزات مورد استفاده در روش Phased array • دستگاه مختصات یاب • دستگاه تولید کننده و آنالیز کننده امواج فرا صوت • پروب • مایع کوپلنت • برای ساخت پروب های PAUT از مواد پیزوالکتریک استفاده می شود. از قرار دادن میله ای نازک سرامیکی در درون مواد پلیمیری مانند رزین ساخته می شوند. خواص ماده پیزوالکتریک حاصل، به خواص سرامیک، پلیمر و ساختار میکروسکوپی ماده پیزوالکتریک بستگی دارد. وظیفه ماده پلیمری یا رزین بکار رفته در میان پیزوالکتریک ها، میرا کنندگی امواج فراصوت است و مدت استمرار پالس را کاهش داده و قدرت تفکیک موج را بهبود می بخشد. شکل شماره 11 نشانگر نحوه چیدمان اجزاء سازنده ماده پیزوالکتریک پروب PAUT است. [2, 5] • بر اساس نحوه استقرار و چیدمان المان ها درون PAUT ، انواع مختلف پروب رامی توان بصورت زیر تعریف نمود: • پروبهای خطی • پروبهای دایروی • پروبهای حلقوی • پروبهای ماتریسی • به عنوان مثال ، چیدمان المانهای یک نوع پروب ماتریسی در شکل شماره 12 قابل مشاهده است. شکل 10 شکل 11

14. کاربرد PAUT : از این سیستم می توان برای تشخیص ترک، تخلل، حفرهای انقباضی، کاهش ضخامت ناشی از خوردگی، تورق، عیوب جوش و نیز سایر ناپیوستگی های فلز استفاده نمود. کاربردهای صنعتی این روش شامل بازرسی جوش مخازن تحت فشار، بازرسی خودکار ( اتوماتیک) در حین [2,3]. کاربرد دیگر این روش در بازرسی قطعات از جنس مواد با قدرت میرایی صوت بالا است ( مانند فولاد زنگ نزن. در این مواد، به دلیل دانه درشت بودن دانه ها و کریستالها، پراکندگی و انحراف پرتوهای امواج فرا صوت بطور شدیدی اتفاق می افتد. به همین دلیل میزان انتشار صوت درون ماده کاهش یافته و موجب بروز امواج مغتش بر روی صفحه نمایش و یا سخت شدن تشخیص اکوی برگشتی از درون ماده می گردد. استفاده از روش PAUT موجب تمرکز صوت در این نوع مواد و در نتیجه وضوح بیشتر ارتفاع پیک های اکوی دریافتی از ماده و نیز افزایش مقدار نسبت سیگنال صحیح نسبت به سیگنالهای مغتش می گردد[4]. نکته بسیار مهم و مفید در این تکنیک، وجود استاندارد ASME C 2235-Q است که در آن شرایط خاص قابلیت استفاده از PAUT برای بازرسی از جوشها و قطعات با ضخامت بزرگتر و یا مساوی 2/1 اینچ در مخازن تحت فشار، لوله ها و نیروگاهها در جایگزینی روش RT معمول گردیده است.

15. مزایا : • قابلیت مستند سازی گزارشات PAUT • امکان تعیین دقیق تر محل و ماهیت عیوب • امکان پردازش تصاویر از سه نما از عیب (side view , top view. End view) توسط نرم افزارهای مخصوص • نمایش تصویر همزمان B-Scan , C- Scan در صفحه نمایش • ایجاد تصاویر با امکان تفسیر سریعتر و ساده تر • افزایش سرعت بازرسی • امکان ایجاد پالس های صوتی با زوایای مختلف توسط یک پروب و در نتیجه تحت پوشش قرار دادن حجم بیشتری از قطعه تحت بازرسی با یک تابش • افزایش ضریب اطمینان بازرسی • عدم ضرورت دسترسی به دو طرف سطح مورد بازرسی • قابلیت بازرسی از قطعات با ضخامت متفاوت و ضخامت زیاد ( به دلیل قابلیت نفوذ صوت در فلزات) • صرفه جویی در هزینه، به تمام دلایل مشروحه در بالا.

16. محدودیت ها : • قابلیت استفاده فقط در موادی که امکان عبور صوت از آنها وجود دارد. • اماده سازی سطح مورد بازرسی • خطای فراوان در بازرسی از مواد اسفنجی شکل دارای خلل و فرج فراوان ( در صورتی که حفره ها، تصویر حفره های با عمق کمتر را نپوشانند.) • عدم قابلیت بازرسی از لوله ها و قطعات جوشکاری شده بصورت جوش شیاری با ضخامت کمتر از 6 میلیمتر ( به دلیل بروز خطای زیاد در نتایج بازرسی) • بروز خطای نسبی در نتایج بازرسی ازلوله های با قطر کمتر از 6 اینچ ( البته استفاده از این روش نیز مانند UT برای لوله های با قطر 2 اینچ با وجود خطا در نتایج امکانپذیر می باشد.) • 6- نیاز به صرف هزینه جهت خاکبرداری و پوشش برداری و آماده سازی سطح از لوله های مدفون

17. پیوستها با توجه به امکان جایگزینی این روش با روش پرتونگاری، مقایسه تصاویر مستند شده حاصل از RT با PAUT مربوط به یک مقطع جوش حاوی عیوب متفاوت و نیز تصویر ارائه شده نهایی PAUT از این مقطع در تصاویر زیر نشان داده شده اند.

18. - در تصویر زیر برخی عیوب موجود در ماده و نمودار نمایانگر این عیوب در یک نرم افزار آنالیزکننده عیوب مشاهده می شود.

19. منابع: • ASM HANDBOOK VOL.17 , “NONDESTRUCTIVE EVALUATION AND QUALITY CONTROL” 9’th EDDITION, ASM INTERNATIONAL : THE MATERIALS INFORMATION COMPANY. • "کاربرد آلتراسونیک PHASED ARRAY در بازرسی خطوط لوله" ، 1386 • Olympus NDT Group, www.olympusndt.com • HarfangMicrotechniques, Canada, www.harfangmicro.com • Ping Yang, Bin Chen, Ke-Ren Shi, “A novel method to design sparse linear arrays for ultrasonic phased array”, Ultrasonics 44 (2006) e717–e721. • WWW.RADARTUTORIAL.COM • Ping Yang, Bin Chen, Ke-Ren Shi, “A novel method to design sparse linear arrays for ultrasonic phased array”, Ultrasonics 44 (2006) e717–e721, www.phased-array.com • Sung-Jin Song, Hyeon Jae Shin, You Hyun Jang, “Development of an ultrasonic phased array system for nondestructive tests of nuclear power plant components”, Nuclear Engineering and Design 214 (2002) 151–161. • Imasonic Co., www.imasonic.com • Sonstest Group, www.sonatest.com • ASME C2235-9, CASES OF ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE, October 11, 2005. • www.aitechnologies.biz/phased_array_ultrasonic • Guillaume Neau and Deborah Hopkins, “The promise of ultrasonic phased arrays and the role of modeling in specifying systems”, WWW.BERCLI.NET, + 1 510 292 12902813 Seventh Street Berkeley, CA 94710 • Weld Flaw Radiographgy by Sonainspection International Ltd., www.sonaspection.com • “Tube inspection using massively parallel systems” , WWW.BERCLI.NET