Técnica ultrasónica avanzada de Imágenes de Coherencia de Fase (PCI) como complemento del Método de Focalización Total (TFM)

Autor: Ing. Carlos Álvarez, 21 septiembre 2023

Introducción

Pruebas de ultrasonido

Las pruebas de ultrasonido son Ensayos No Destructivos (END) ampliamente utilizada en diversas industrias para inspeccionar y evaluar la integridad de materiales y estructuras. Uno de los principales problemas de estas pruebas es obtener imágenes precisas y detalladas de los objetos inspeccionados. Para abordar este desafío, investigadores e ingenieros han desarrollado técnicas avanzadas a lo largo de los años, como el Método de Focalización Total (TFM).

Sin embargo, incluso con TFM, existen ciertas limitaciones, como por ejemplo cuando se trata de materiales altamente atenuativos. En este artículo, exploraremos la técnica ultrasónica avanzada conocida como Imagen de Coherencia de Fase (PCI) y discutiremos cómo puede complementar y mejorar las capacidades de TFM¹.

El Método de Focalización Total (TFM)

El Método de Focalización Total o como se conoce por sus siglas en inglés Total Focusing Method (TFM), es una técnica reciente para evaluar materiales y estructuras de forma no destructiva. Este método se basa en la metodología de orientación y focalización de la tecnología por ultrasonido (Phased Array) convencional, pero difiere con la focalización. se aplica en todas las partes del área a inspeccionar y no solo en la una profundidad fija.

Este método utiliza algoritmos avanzados para mejorar las capacidades de enfoque e imágenes de los sistemas convencionales de pruebas ultrasónicas en fase (PAUT). PAUT usa una serie de transductores para emitir y recibir ondas ultrasónicas, lo que permite dirigir y enfocar el haz electrónicamente.

¿Cómo funciona el TFM?

El Método de Focalización Total (TFM) es una técnica integrada al ya existente Ultrasonido por Arreglo de Fases (PAUT), el cual mejora significativamente la detección y caracterización de defectos, así como la probabilidad de detección (POD) en aplicaciones críticas industriales.

Esta técnica utiliza un enfoque innovador donde, en una primera etapa, cada elemento del transductor se activa individualmente y la información es recopilada por todos los elementos, esta primera parte del proceso se conoce como Captura de Matriz Completa (FMC). Posteriormente, esta información es procesada mediante algoritmos para ajustar dinámicamente el punto focal, esta segunda parte del proceso es conocido como Método de Focalización Total (TFM).

Mediante esta tecnología se obtienen imágenes detalladas de la estructura interna del material, mejorando el POD y permitiendo la identificación y caracterización precisa de defectos como grietas, inclusiones y porosidad.

Ventajas del TFM

1. Resolución mejorada: TFM proporciona una resolución excepcional al optimizar el punto de enfoque para cada punto de datos, lo que da como resultado imágenes claras y detalladas.
2. Calidad de señal mejorada: la técnica reduce el impacto del ruido y la interferencia, lo que da como resultado una mayor calidad de señal y una mejor detección de defectos.
3. Versatilidad: TFM es versátil y puede usarse para una amplia gama de aplicaciones, desde inspecciones de soldadura hasta mapeo de corrosión.

Si bien el TFM representa un avance significativo en las pruebas ultrasónicas, tiene limitaciones, especialmente cuando se trata con materiales altamente atenuantes. Estas limitaciones han llevado al desarrollo y adopción de técnicas complementarias como la de Imágenes de Coherencia de Fase (PCI).

Imágenes de Coherencia de Fase (PCI)

Imágenes de Coherencia de Fase, o (PCI)², es una técnica de prueba ultrasónica relativamente nueva que complementa el TFM y aborda algunas de sus limitaciones. Se basa en el concepto de preservar y utilizar la información de fase de las señales ultrasónicas recibidas. Al hacerlo, puede proporcionar información valiosa sobre la estructura que se inspecciona.

Las señales de las ondas recibidas (cada una definiendo un A-Scan) están en fase cuando tienen la misma frecuencia y la diferencia de fase entre ambas es constante. El nivel de coherencia se refiere a la medida de la similitud o concordancia entre las formas de onda (fase) registradas en dos registros de datos A-Scan diferentes.

De esta manera, el procesamiento de las señales recibidas mediante PCI se basa de forma exclusiva en la información de fase que llevan los A-scans elementales a fin de generar una representación TFM y es independiente de la amplitud de las señales.

Las fuentes omnidireccionales, como las porosidades, las difracciones de punta y la escoria, tienden a mostrar una alta intensidad, ya que muchos pares de emisor-receptor de la Captura de Matríz Completa (FMC) las ven aproximadamente con la misma fase. Los reflectores cuya fase tiene una fuerte dependencia direccional, como la superficie frontal, la pared posterior, delaminaciones, falta de fusión (LOF), etc., producen PCI de bajo valor. PCI facilita la detección de defectos volumétricos (porosidades y escoria) y la identificación de señales difractadas en la punta de la grieta para un mejor dimensionamiento.

La técnica de Imágenes de Coherencia de Fase está incluida varios instrumentos con la opción TFM y en especial EddyFi lo ofrece en tres de su línea de productos: Gecko, Mantiz y Topaz.

¿Cómo funciona el PCI?

1. En primer lugar, se normalizan los A scans adquiridos. Es decir, se ajusta o se corrige las diferencias de fase y amplitud de los A-Scans para producir un A-Scan de referencia.
2. Luego, se compara la distribución de fases de cada A-scan para cada posición en la zona TFM.
3. Para una posición determinada, cuanto mayor sea el nivel de coherencia entre los A-scan, más fuerte será la respuesta de la señal para esa posición (con un máximo de 100 %).
4. Las reflexiones y difracciones de los defectos dan como resultado una respuesta coherente, en comparación con la respuesta incoherente de las señales adquiridas del ruido de fondo de alta frecuencia. Esto hace que la identificación de defectos sea muy sencilla, especialmente para defectos pequeños en materiales ruidosos o atenuantes.

Ventajas del PCI

1. Imágenes 2D en vivo utilizando información de fase de señal: Esto permite identificar defectos mal orientados o muy pequeños, como el ataque de hidrógeno a alta temperatura (HTHA). Por otro lado, si se compara con la técnica TOFD, la cual se basa en parte en el cambio de fase de la señal, La inspección mediante PCI no requiere del movimiento adicional en el sentido índice para para observar la ubicación real de la falla a través del espesor del material.
2. Imposibilidad de saturación de la señal: Esto no es un problema para el PCI ya se basa en la coherencia y no de la amplitud de las señales.
3. No requiere se manipular la ganancia: Por la misma razón de que se basa en la coherencia y no de la amplitud de las señales, no es necesario ajustar la ganancia a un reflector conocido (el control de ganancia es bloqueado en el instrumento).
4. Resultados más consistentes y dimensionamiento más sencillo: Los resultados son repetibles entre inspecciones sucesivas y/o diferentes inspectores, lo que lo hace ideal para el seguimiento de grietas gestadas y detectadas durante el servicio (Fitness For Service).
5. Menos grupos requeridos para cubrir la misma zona: El PCI proporcionará buenos resultados, incluso si la amplitud de retorno es baja, ya que la coherencia puede ser evaluada incluso si la amplitud es débil. Pero, más importante aún, es que la posición de una falla dentro de la zona TFM tendrá poco efecto en la coherencia de la señal. Por otro lado, las difracciones de punta pueden perderse frecuentemente en el ruido de fondo, en cambio, el PCI hace destacar estas difracciones. Todos estos factores reunidos, se traduce en menos grupos requeridos para la misma zona de cobertura.
6. Contraste mejorado: PCI puede detectar variaciones sutiles en las propiedades del material, lo que mejora el contraste y la detección de defectos, en especial aquellos localizados cerca de la superficie.
7. Sensibilidad reducida a la atenuación: A diferencia de las técnicas ultrasónicas tradicionales, PCI se ve menos afectado por la atenuación de la señal, lo que lo hace adecuado para materiales altamente atenuantes.

Una desventaja de PCI es la necesidad de utilizar un FMC completo para obtener una buena SNR. Esto suele tener un impacto en la productividad, porque disminuye considerablemente la velocidad de barrido (1). Una forma de contrabalancear esta limitación es implementar una función de Imagen de Onda Plana (PWI) para mejorar la velocidad de escaneo para las inspecciones TFM y disponible en equipos de la línea de productos de EddyFi: Gecko, Mantiz y Topaz.

Complementando TFM con PCI

Si bien TFM y PCI son técnicas poderosas por sí solas, su verdadero potencial se materializa cuando se usan juntas. La combinación de estos dos métodos ultrasónicos avanzados (Ver Imagen) puede dar como resultado una estrategia de inspección integral que supere muchas de las limitaciones asociadas con las técnicas individuales.

Ambas técnicas se complementan en los siguientes aspectos:

1. Calidad de imagen mejorada: Al integrar TFM y PCI, es posible obtener imágenes muy detalladas y precisas de estructuras complejas.
2. Caracterización de defectos mejorada: Cuando TFM y PCI trabajan en sinergia, la caracterización de defectos se vuelve más sólida. La capacidad de TFM para proporcionar una ubicación precisa del defecto se complementa con la capacidad de PCI para revelar la naturaleza y el alcance del defecto.
3. Mayor confiabilidad en entornos desafiantes: En escenarios que involucran materiales altamente atenuantes, el TFM por sí solo puede tener dificultades para proporcionar resultados confiables. La reducida sensibilidad de PCI a la atenuación lo convierten en un complemento ideal para TFM. Juntos, ofrecen una solución confiable para inspecciones en entornos desafiantes.
4. Versatilidad en aplicaciones de END: La combinación de TFM y PCI es versátil y se puede aplicar en diversas industrias y aplicaciones de END. Desde componentes aeroespaciales hasta oleoductos y gasoductos, este enfoque de técnica dual se adapta a diferentes necesidades de inspección, lo que lo convierte en un activo valioso para inspectores e ingenieros.

Conclusiones

La integración de las imágenes de coherencia de fase (PCI)² con el método de enfoque total (TFM) representa un avance significativo en el campo de las pruebas ultrasónicas. Si bien TFM destaca por mejorar la resolución y reducir el ruido, PCI lo complementa ofreciendo una caracterización de defectos mejorada y la capacidad de inspeccionar materiales altamente atenuantes. Juntos, TFM y PCI brindan una solución integral para pruebas no destructivas en diversas industrias.

A medida que la tecnología continúa evolucionando, la integración de TFM y PCI está a punto de convertirse en una práctica estándar en pruebas ultrasónicas, lo que permitirá a ingenieros e inspectores lograr resultados más precisos y confiables, al tiempo que garantiza la integridad de estructuras y materiales críticos. Este dúo dinámico de técnicas ultrasónicas desempeñará un papel fundamental en el futuro de las pruebas no destructivas.

Referencias bibliográficas

1. FREDÉDÉRIC REVERDY. Los Pros y los Contras de las Imágenes por Coherencia de Fase (PCI); Consultado en fecha 18 de Septiembre de 2023; https://blog.eddyfi.com/en/the-pros-and-cons-of-phase-coherence-imaging-pci
2. EVIDENT. Imágenes por Coherencia de Fase (PCI). Mejores Prácticas; Consultado en fecha 19 de Septiembre de 2023