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INSPECCIÓN DE SOLDADURAS EMPLEANDO EL ENSAYO DE ULTRASONIDO EN LUGAR DE RADIOGRAFÍA

Carlos Enrique Suárez Navas ASNT NDT Level III

Director de Nuevas Tecnologías Tecnicontrol S.A. Autopista Norte Km 19. Chía, Cundinamarca, Colombia

Teléfono: +57 (1) 667 1400, Email: csuarez@tc.com.co 10 de Marzo de 2011. Rev. 1

1 RESUMEN

El presente trabajo expone los fundamentos requeridos en la inspección de soldaduras empleando técnicas ultrasónicas de última generación como Phased Array, TOFD o AUT en lugar de radiaciones ionizantes, cumpliendo con los códigos y estándares internacionales tales como ASME B31.3, API 650, ASME SEC VIII (CC2235-9), API 1104, DNV OS F101 y ASME B31.1. Para una mejor comprensión del tema, dentro del documento se describirán los diferentes métodos de inspección ultrasónica, sus aplicaciones, alcances y ventajas respecto a la radiografía industrial.

2 INTRODUCCIÓN

En la actualidad existen diversas metodologías de inspección ultrasónica que han evolucionado a la par con el avance en la electrónica. La normatividad vigente para el diseño, construcción e inspección de recipientes a presión, tuberías de proceso, ductos y tanques de almacenamiento no ha sido la excepción, actualmente la normatividad internacional ha evolucionado para incorporar estas tecnologías de inspección de última generación, las cuales emplean tratamiento computarizado de imágenes para obtener altas probabilidades de detección, registros permanentes y auditables. Por otra parte, en todo el mundo, estas tecnologías de Ultrasonido están reemplazando a las radiaciones ionizantes (ensayo RX y Gammagrafía) al no generar ningún tipo de riesgo para las personas y no contaminar el planeta. Los gerentes de proyectos y constructores han aprendido que el verdadero ahorro se encuentra en no parar el avance de la obra para la toma de placas y en reducir las ratas de rechazo al obtener resultados más precisos y oportunos, que permiten establecer controles al proceso.

3 INSPECCIÓN ULTRASÓNICA

Para que la inspección ultrasónica tenga alta confiabilidad al reemplazar la radiografía, es necesario asegurar 3 elementos igualmente importantes: equipos apropiados, metodologías y procedimientos validados y personal competente.

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realizar una calibración dinámica del sistema, donde se verifique la amplitud de la señal y la calibración del Encoder.

El empleo de escáner para la realización de la prueba de ultrasonido, permite repetitividad en el ensayo, de esta forma se obtendrán los mismos resultados, sin importar la habilidad manual del inspector que lo realice.

Adicionalmente, se debe emplear software para el análisis de datos, el cual debe permitir obtener vistas A-SCAN, B-SCAN, C-SCAN, D-SCAN y TOFD para la técnica semi-automática (SAUT) y visualización Strip Chart + TOFD para el ultrasonido automático (AUT)

a) Escáner Semi-Automático (SAUT): Tuberías: Pipeline y Piping

b) Escáner Semi-Automático (SAUT):

Recipientes a presión y tanques

c) Escáner para bajos diámetros, entre 1” y 4”

d) Escáner automático para pipeline (AUT): Oleoductos y Gasoductos

Figura 2. Principales tipos de escáner para inspección ultrasónica

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3.1.1 METODOLOGÍAS DE INSPECCIÓN REQUERIDAS POR LOS EQUIPOS DE UT

PHASED ARRAY - RASTER EXAMINATION (SAUT)

ULTRASONIDO PHASED ARRAY, CONFIGURACIÓN LINEAL

La técnica de ultrasonido Phased Array con configuración lineal, simula el ultrasonido manual, solo se reemplaza el movimiento manual por un barrido electrónico (Electronic Scan); por esta razón, aunque el API 1104 no indica literalmente que se puede utilizar la técnica Phased Array, ésta se puede emplear bajo este código cumpliendo siempre lo indicado en el parágrafo 11.4.7.2 Manual Ultrasonic Weld Testing.

Figura 3. Configuración Phased Array Lineal

Para realizar inspección basada en configuración lineal, se requiere emplear como mínimo palpadores de 60 elementos, el ángulo a emplear deberá ser en todo caso, perpendicular a la orientación del bisel, de esta forma, para soldadura manual donde API 1104 recomienda un bisel de 30º, es más apropiado emplear una configuración lineal de 60º. Como se muestra en la figura No. 3, el equipo y escáner empleado debe permitir en un solo recorrido inspeccionar desde ambos lados de la soldadura, de esta forma se evaluará apropiadamente todo el volumen de la soldadura. En caso que por limitaciones de la pieza no sea posible, por ejemplo junta tubo-accesorio, se deberá registrar en el informe esta limitación. Está técnica es conocida en América como SAUT y en Europa como MPAUT (Manual and Encoded Phased Array Ultrasonic Testing)

Soldadura

Palpadores PA - 60 Elementos

Escáner

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ULTRASONIDO PHASED ARRAY, CONFIGURACIÓN SECTORIAL

La técnica de ultrasonido Phased Array con configuración sectorial, no puede reproducir el comportamiento del ultrasonido manual sobre una soldadura, se basa en la generación de un abanico de haces a partir de un punto fijo. El barrido sectorial puede escanear en una sola pasada y un solo grupo, soldaduras de gran espesor. Códigos como el ASME SEC V, art 4, ASME B31.3 CC181 y otros, indican literalmente que se puede emplear este tipo de configuración para la inspección de soldaduras.

Figura 4. Configuración Phased Array sectorial

El equipo y escáner empleado, deberá permitir realizar en una sola pasada, adquisición de datos desde ambos lados de la soldadura. Está técnica también es conocida en América como SAUT y en Europa como MPAUT (Manual and Encoded Phased Array Ultrasonic Testing).

Escáner Palpadores PA

- 16 o 32 Elementos

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3.1.2 TÉCNICA TOFD (Time Of Flight Diffraction)

Figura 5. Técnica complementaria TOFD

El ensayo de ultrasonido por TOFD se basa en la detección de ondas de difracción, es un excelente complemento para la inspección pulso eco, ya que se basa en un principio físico diferente. Dentro de las ventajas de la técnica TOFD se destaca la alta precisión en la medición de la altura de las discontinuidades y la ayuda que brinda para caracterizar el tipo de discontinuidad. Como desventaja, la técnica tiene zona muerta cerca de la presentación de la soldadura, en esta zona existe la posibilidad de no detectar apropiadamente las discontinuidades, es por esta razón que no se recomienda como única técnica de inspección, si no acompañando a configuraciones Phased Array lineal, sectorial o discriminación de zonas del AUT.

Falta de Penetración en la Raíz

Raíz

Presentación

TOFD

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INFORME DE INSPECCIÓN PHASED ARRAY Y/O TOFD (SAUT)

a) Posible informe solo con la técnica Phased Array

b) Posible informe con la técnica Phased Array y TOFD, vistas simultáneamente Figura 6. Informe de inspección de ultrasonido Semi-automático (SAUT)

El informe de inspección mediante la técnica Phased Array debe mostrar los datos en vistas C-Scan y/o B-Scan a lo largo de la soldadura, también debe indicar información puntual de discontinuidades en vista D-Scan (S-Scan) y A-Scan. (Ver figura 6 a) Si se empleó la técnica TOFD simultáneamente con el UT pulso-eco (PA), el informe deberá permitir correlacionar las 2 técnicas (TOFD y PA) de tal manera que se puedan verificar las mismas discontinuidades. (Ver figura 6 b) Adicional a las imágenes, deberá formar parte del informe una tabla con los siguientes datos:

Indicación No. Tipo Canal Posición Longitud Profundidad Altura %

Amplitud Resultado Comentarios

C-Scan

C-Scan

B-Scan S-Scan A-Scan

C-Scan TOFD

D-Scan

A-Scan

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3.1.3 AUT – ULTRASONIDO AUTOMATIZADO (DISCRIMINACIÓN DE ZONAS)

De acuerdo a la normatividad de Pipeline (API 1104 / DNV OS F101), el ensayo de AUT no hace énfasis solamente en el empleo de escáner motorizado para el desplazamiento automático, lo más importante que se debe cumplir es la “Discriminación de Zonas” (ASTM E1961), adicionalmente, para soldadura automática se empleará la técnica “tándem” y para la soldadura manual, la técnica “puso eco”

Figura 7. Principio de la técnica de Ultrasonido Automático (AUT)

La técnica requiere la división de cada soldadura en diferentes zonas, con base al WPS donde se establece el diseño del bisel y el espesor de cada pase de soldadura. El equipo de ultrasonido deberá generar un haz ultrasónico por cada zona, el cual debe tener control de ganancia independiente. La calibración se realiza con un bloque basado en la norma ASTM E1961, donde existe un reflector por cada zona, por ejemplo: raíz, LCP, pase caliente, pases de relleno, zona volumétrica, Cap, etc. El ultrasonido automático (discriminación de zonas), puede realizarse con palpadores de UT convencional (Multi-Probe) o mediante la técnica Phased Array; sin embargo, es mejor emplear la tecnología Phased Array ya que permite el enfoque de la energía en la zona de interés permitiendo un mejor sobre trazado (Overtrace); por otra parte, el escáner que funciona bajo la técnica Phased Array es más liviano y permite rápidamente cambiar la calibración al variar el espesor.

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INFORME DE INSPECCIÓN MEDIANTE AUT (DISCRIMINACIÓN DE ZONAS)

Figura 8. Informe de inspección de AUT (Ultrasonido Automático)

Dado que el AUT se basa en la discriminación de zonas, el informe de AUT se basa en la representación ultrasónica de cada zona, de esta manera, cuando se aprecia un canal que excede el 40% de altura de pantalla, identificando el nombre del canal, se identifica a su vez la zona de la soldadura que presenta la discontinuidad. La visualización de la data del AUT se deberá realizar con los siguientes canales de información:

- Strip Chart - TOFD - Canales volumétricos - Mapping en la raíz - Canales de acople

De acuerdo a lo anterior, esta es la principal diferencia entre el ultrasonido automático (AUT) y el ultrasonido semi-automático (SAUT), como se mencionó anteriormente, la diferencia no está orientada a escáner motorizado únicamente.

El informe de AUT deberá acompañarse con una tabla donde se indique la información por cada discontinuidad, a continuación un ejemplo:

Indicación No. Tipo Canal Posición Longitud Profundidad Altura Resultado Comentarios

Mapping de Raíz

Strip Chart

Canales Volumétricos

TOFD

A-Scan

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3.2 COMPETENCIA DEL PERSONAL

Figura 9. Entrenamiento teórico práctico en ultrasonido automático (AUT)

La competencia del personal es muy importante para la realización del ensayo de ultrasonido, ya sea convencional, Phased Array, TOFD o AUT. Teniendo en cuenta que en Colombia no existe una normatividad aplicable al tema, la recomendación es adoptar la normatividad Europea dada en el documento No. CSWIP-ISO-NDT-11/93-R “Requirements for the Certification of Personnel Engaged in Non- Destructive Testing in accordance with the requirements of EN 473 and ISO 9712” Las compañias de inspección en Colombia pueden empezar por actualizar el procedimiento de calificación de personal basado en la guía SNT-TC-1A, con los requerimientos dados en CSWIP-ISO-NDT-11/93-R donde se establecen para las técnicas avanzadas de inspección, meses de experiencia de los inspectores, horas de entrenamiento y número de preguntas en los exámenes a realizar. La tendencia mundial para las técnicas avanzadas de ultrasonido, será en el mediano plazo, migrar de las certificaciones generales de la ASNT por los esquemas internacionales específicos basados en ISO 9712. En la siguiente tabla se resumen los requerimientos para las diferentes técnicas ultrasónicas.

Tabla 1. Requisitos de calificación y certificación de personal en UT de acuerdo con CSWIP-ISO-NDT-11/93-R

Técnica Ultrasónica

Meses de experiencia

Horas de entrenamiento

Examen General Número de preguntas

Examen EspecíficoNúmero de preguntas

Nivel I Nivel II Nivel I Nivel II Nivel I Nivel II Nivel I Nivel II

Ultrasonic testing (conventional) (UT) 3 9 40 80 40 40 20 20

Automated Ultrasonic (AUT) 3 9 40 80 40 40 20 20 Automated Ultrasonic

Data Interpreter (AUTDI) N/A 3 - 40 40 40 N/A 20

Manual and Encoded Phased Array Ultrasonic

Testing (MPAUT) 3 3 80 24 N/A N/A N/A 20

TOFD Ultrasonic Testing 1 3 40 40 40 40 20 20

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3.3 PROCEDIMIENTOS VALIDADOS

3.3.1 PROCEDIMIENTO

Para poder realizar el cambio de radiografìa por ultrasonido, se debe partir en todo momento de la normatividad aplicable. Aunque hoy en día existen muchas tecnologías ultrasónicas, no todas cumplen con todos cumplen con el requerimiento de los códigos y estándares existentes, es necesrio tener claridad de qué técnicas aplican y en qué casos; por ejemplo, existen las siguientes limitantes en tecnología:

Equipos de UT Phased Array que solo tienen representación sectorial sin la posibilidad de realizar adquisición de datos cada milímetro

Equipos que no pueden realizar la corrección DAC/TCG por cada ley focal (cada haz), sino lo realizan por uno solo haz y luego aplican una extrapolación lineal al resto de haces

Equipos que adquieren datos desde un solo lado de la soldadura y/o no emplean escáner, etc.

Esta información sobre la normatividad que regula la metodología a emplear y los estandares de aceptación aplicables se resumen en el siguiente cuadro:

Tabla 2. Resumen de normatividad vigente en aplicación de técnicas avanzadas de inspección

EQUIPO A INSPECCIONAR

NORMATIVIDAD APLICABLE

CONFIGURACIÓNPHASED ARRAY

LINEAL

CONFIGURACIÓNPHASED ARRAY

SECTORIAL

AUT ULTRASONIDO

AUTOMATIZADO TOFD

Tuberías de planta de proceso (Piping)

ASME B31.3 Caso Código 181

Página C-3 X X Complementaria

Recipientes a presión

ASME SEC VIII Division 2

Página 7-15 X X Complementaria

Tanques de almacenamiento

API 650 Página U-1 X X Complementaria

Oleoductos y Gasoductos (ONSHORE)

API 1104 Página 37 X X X Complementaria

Oleoductos y Gasoductos (OFFSHORE)

DNV OS F101 Página 223 X Complementaria

Tuberías de Potencia

ASME B31.1 Página 105 X X Complementaria

La elaboración y calificación del procedimiento identificará unas variables, las cuales serán clasificadas como esenciales y no esenciales de acuerdo a la siguiente Tabla No. 4

Un cambio en las variables esenciales implicará una recalificación del procedimiento el cual deberá ser aprobado por un ASNT NDT Level III en UT.

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Tabla 3. Variables en un procedimiento de inspección ultrasónica de última tecnología

REQUERIMIENTO VARIABLE ESENCIAL

VARIABLE NO ESENCIAL

Configuración de la soldadura a ser examinada incluyendo: espesor, dimensiones, material base (tubo, lámina, etc) X

Superficie desde la cual la inspección es ejecutada X Técnica o técnicas (haz normal, haz angular, contacto ) X Angulo(s) y modo(s) de propagación de la onda en el material X Tipo(s) de palpador, frecuencia, número de elementos, tamaño, separación y paso de los elementos, como aplique. X

Rango focal: plano, profundidad, camino sónico X Tamaño virtual del palpador (número de elementos, ancho y altura). X Palpadores especiales, cuñas, zapatas, cuando son usadas con el instrumento X

Plan de escaneo E-SCAN: Angulo de barrido, primer y último elemento, paso S-SCAN: Rango angular, incremento angular barrido, número de elementos Strip Chart, Canales volumétricos, Barrido TOFD

X

Calibración (bloques de calibración y técnicas) X Dirección y extensión del barrido X Barrido (manual vs automático) X Método para discriminar indicaciones geométricas y discontinuidades X Método para medir las indicaciones X Incremento en la adquisición de datos basada en computador X Traslape en el barrido (disminución) X Requerimientos de desempeño del personal X Requerimientos de calificación del personal X Condición superficial X Acoplante, nombre y tipo X Alarmas automáticas y/o equipo de registro cuando es aplicable X Registros, incluyendo los mínimos datos de calibración a ser registrados (setting del instrumento) X

3.3.2 VALIDACIÓN (CALIFICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE INSPECCIÓN ULTRASÓNICA)

La inspección ultrasónica debe ser ejecutada de acuerdo con un procedimiento escrito, con base en los requerimientos dados en el cuadro anterior. Esto debe ser revisado y firmado por un ASNT Nivel III en ultrasonido Antes de la aprobación final del procedimiento, se deberá demostrar la aplicación del procedimiento y sistema ultrasónico propuesto. Se deberá generar un reporte de la demostración (validación) donde se documente los resultados en el bloque de calificación. El proceso de demostración deberá considerar:

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4 EJECUCION DEL ENSAYO BAJO PROCEDIMIENTO VALIDADO

El uso del procedimiento de ultrasonido en las soldaduras de producción deberá tener la capacidad para:

Ubicar circunferencialmente las discontinuidades Dimensionar las discontinuidades en longitud y altura Determinar la profundidad desde la superficie externa (OD) Localizar axialmente las discontinuidades Determinar su aceptabilidad con base en los criterios de aceptación

Figura 11. Inspección ultrasónica mediante SAUT en ductos (PA+TOFD)

El volumen de la soldadura y el metal base, deberá ser inspeccionado utilizando un barrido lineal con Encoder, este ultimo debe ser calibrado en una distancia mínima de 20 pulgadas y la distancia mostrada debe estar dentro de la tolerancia del 1%. Las leyes focales utilizadas durante la calibración deben ser usadas durante la inspección como tal. Cada barrido deberá ser paralelo al eje de la soldadura a una distancia constante, con el haz orientado perpendicular al eje de la soldadura, de forma que el palpador debe ser mantenido a una distancia fija mediante el empleo de escáner mecánico (manual o motorizado). La configuración del plan de escaneo para ductos (Pipeline) si se realiza mediante ultrasonido automatizado (AUT), se debe basar en discriminación de zonas tal como lo indica API 1104 para ductos en tierra y DNV OS F101 para ductos en altamar. En caso de requerirse inspección semi automática (SAUT), el UT Phased Array podrá ser lineal (E-SCAN) o sectorial (S-SCAN) para la inspección bajo ASME o API. Estos barridos se deberán hace por ambos lados de la soldadura, siempre que sea posible. Para el caso particular de inspección de soldadura tubo-accesorio, se debe realizar la inspección por ambos lados como sea posible, o cubriendo la mayor cantidad de sectores posibles. En todo caso, debe realizarse la inspección con haz normal para garantizar la sanidad del material base, lo cual garantiza que no haya interferencias posteriores en la inspección de haz angular. La inspección de reflectores transversales puede ser ejecutada manualmente o de forma automática con la aplicación de técnicas complementarias. Siempre que sea posible, se empleará la técnica TOFD como herramienta complementaria.

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4.1 GENERALIDADES DE REGISTROS Y DOCUMENTACIÓN PARA TODAS LAS TÉCNICAS ULTRASÓNICAS

Un completo set de datos debe ser generado y almacenado por cada inspección o junta realizada, que permita un posterior análisis en caso de ser necesario. La siguiente información mínima debe ser registrada:

Tamaño de palpador, número, ancho del elemento y paso Parámetros de las leyes focales incluyendo entre otros: ángulo o rango angular,

profundidad focal o plano, número de elementos, cambio incremental angular, inicio y fin de los elementos

Angulo natural de la zapata Plan de escaneo Tipo de escáner empleado Ubicación de las discontinuidades: posición circunferencial, longitud y ubicación en la

soldadura Caracterización de las discontinuidades, por ej: grieta, porosidad, incompleta fusión, etc. Dentro del informe se deberá registrar el 100% del volumen de la soldadura, empleando

para el AUT la representación Strip Chart, y para el SAUT, como mínimo la combinación de A-Scan, C/B-Scan y TOFD.

5 VENTAJAS DE EMPLEAR EL ENSAYO DE ULTRASONIDO EN LUGAR DE RADIOGRAFÍA

No requiere zonas de exclusión las cuales generan grandes pérdidas económicas y atrasos en producción, al tener que detener las labores en planta para la toma de placas radiográficas por causar daño a las personas.

Reemplaza a los Rayos X y Gamma por las dificultades cada vez mayores en todo el mundo para importar, exportar, manipular y legalizar fuentes radiactivas y operadores.

Alta probabilidad de detección con ubicación y dimensionamiento en 3D. No contamina el planeta con residuos químicos ni radiactivos (El UT es calificado como

una tecnología limpia que ayuda a la conservación del medio ambiente). Permite realizar controles oportunos al proceso. Reduce las ratas de rechazo con el empleo de evaluaciones de ingeniería (ECA). Permite registrar el 100% del volumen de una soldadura para análisis en diferentes

vistas, por ej: Strip Chart, S-Scan, B-Scan, D-Scan, C-Scan o TOFD. Información digital 100% auditable y reproducible. La interpretación y resultados son instantáneos y en campo, sin la necesidad de espacios

especiales o desplazamientos innecesarios.

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6 REFERENCIAS NORMATIVAS

ASME B31.3. Process Piping. 2008 Revision of ASME B31.3-2006.

B31 CASE 181 Use of Alternative Ultrasonic Examination Acceptance Criteria in ASME B31.3 Approval Date: January 23, 2007. Página C-3.

ASME SEC VIII Division 2: 2010. Alternative RulesRules for Construction of Pressure Vessels. Item 7.5.5 Ultrasonic Examination Used in Lieu of Radiographic Examination. Pag. 7-15 El C.C. 2235-9 fue incluido dentro de la versión 2010 del ASME SEC VIII. Div.2

API STANDARD 650. Welded Tanks for Oil Storage. Eleventh Edition, June 2010

Appendix U. Ultrasonic Examination In Lieu of Radiography Effective Date: May 1, 2010. Página U-1.

API STANDARD 1104. Welding of Pipelines and Related Facilities. Twenieth Edition,

October 2005 Par. 11.4.7.3 Automated Ultrasonic Weld Testing. Reaffirmed, April 2010. Página 37.

DNV-OS-F101. Submarine Pipeline Systems. October 2007.

Appendix E. Automated Ultrasonic Girth Weld Testing. Página 222.

ASME B31.1-2010. Power Piping. Table 136.4 Mandatory Minimum Nondestructive Examinations for Pressure Welds or Welds to Pressure-Retaining Components. Página 103

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7 CONCLUSIONES

Aunque en el mercado existe gran variedad de equipos de ultrasonido Phased Array y/o AUT, no todos dan cumplimiento con los códigos y estándares que permite cambiar la radiografía por ultrasonido.

No es suficiente con emplear tecnologías de punta, siempre será necesario personal entrenado y procedimientos validados para que el ensayo sea altamente confiable.

Dadas las ventajas en el ensayo de ultrasonido, el verdadero ahorro no está en el costo

del ensayo, si no en la confiabilidad del sistema, reducción de ratas de rechazo y no requerir parar el trabajo de operaciones simultáneas para la toma de placas.

Los códigos y estándares mundiales han evolucionado permitiendo el cambio de

radiografía por ultrasonido; hoy en día, hay unos lineamientos claros y precisos en cuanto a los requisitos que se deben cumplir para poder efectuar este cambio. Es un reto para las compañías de ingeniería y construcción, evolucionar a la par con la tecnología y la normatividad vigente, buscando en todo momento mejorar la relación costo / beneficio cuidando la salud de las personas, la protección al medio ambiente y la calidad de los trabajos.