ULTRADŹWIEKOWA DEFEKTOSKOPIA DALEKOZASIĘGOWA Jacek SZELĄŻEK IPPT PAN Warszawa jszela@ippt.gov.pl 1. WSTĘP Badania ultradźwiękowe są od lat wykorzystywane do wykrywania wad w elementach konstrukcji takich jak na przykład pęknięcia czy ubytki korozyjne. Klasyczne techniki badania pozwalają na wykrywanie i ocenę wielkości niewielkich nawet wad ale z jednego przyłożenia głowicy umożliwiają zbadanie jedynie niewielkiego obszaru materiału. Do kontroli całej konstrukcji konieczne jest jej badanie punkt po punkcie (skanowanie) lub ograniczenie badania do wybranych obszarów elementu. W przypadkach, gdy powierzchnia badanego elementu jest niedostępna, na przykład ukryta pod warstwą izolacji, badanie jest niemożliwe. Te wady klasycznej techniki, czasochłonność i konieczność dostępu do praktycznie całej powierzchni elementu, spowodowały poszukiwanie nowych metod, pozbawionych takich ograniczeń. Falami ultradźwiękowymi, które przy stosunkowo wysokich częstotliwościach mogą rozchodzić się w metalach na znaczne, liczone w metrach, odległości są fale prowadzone, rozchodzące się wzdłuż falowodów. Rozbieżności wiązek takich fal jest ograniczona przez ścianki falowodu dzięki czemu amplituda fali zmniejsza się z odległością znacznie wolniej niż w przypadku fali o tej samej częstotliwości ale rozchodzącej się w ośrodku nieograniczonym. W płytach, płaskich i zakrzywionych, fale prowadzone rozchodzą się jako fale Lamba a w prętach, o różnych przekrojach, - jako fale prętowe. Charakterystyczną cechą fal prowadzonych jest to, że dla danej grubości płyty czy średnicy pręta i częstotliwości fal, rozchodzą się w postaci różnych modów, z charakterystycznymi dla każdego modu i różniącymi się prędkościami fazowymi i grupowymi. Każdemu modowi fali odpowiada też inny rozkład amplitud drgań na grubości płyty czy w przekroju pręta. Ilości modów fal jest teoretycznie nieograniczona. Z jednej strony pozwala to na wybór modu najbardziej przydatnego do określonego zadania, z drugiej zaś jest źródłem trudności w interpretacji uzyskiwanych wyników, ponieważ jedna wada może być reflektorem dla wielu modów fal, rozchodzących się z różnymi prędkościami. Wyboru modu dokonuje się na podstawie analizy wykresów dyspersyjnych, obliczanych dzisiaj numerycznie, dla określonego zakresu częstotliwości fal i dla określonej geometrii elementu (w przypadku rury dla danej średnicy i grubości ścianki). W Polsce próby wykorzystania fal prowadzonych w defektoskopii ultradźwiękowej czyniony były od dawna. W latach 70-tych opracowano sposób wykrywania podłużnych wad typu rozwarstwienia w stalowych 6-cio metrowych prętach o przekroju sześciokąta wykorzystująca fale prętowe wzbudzane głowicą normalną przykładaną do czoła pręta. Wady te były na tyle płaskie, że nie uzyskiwano od nich echa natomiast otrzymano jednoznaczną zależność amplitudy i czasu przejścia impulsu fali prętowej od długości wady (położenie i rozmiary wad były łatwe do zmierzenia z bocznych powierzchni pręta). Długość minimalnej
wady wykrywanej tą metodą wynosiła co prawda nie mniej niż ćwierć metra, ale metoda umożliwiała szybką selekcję (wadliwy-dobry) wielu prętów leżących na stojaku i dostępnych jedynie od czoła [1]. 2. PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ Poniżej opisano kilka przykładów zastosowań dalekozasięgowej defektoskopii ultradźwiękowej wykorzystującej fale Lamba i fale prętowe wzbudzane przetwornikami piezoelektrycznymi, elektromatgneto-akustycznymi i magnetostrykcyjnymi. Ilość urządzeń do takich badań opisywanych obecnie w literaturze świadczy o rosnącym zainteresowaniu przemysłu tą techniką wykrywania wad. Już znajduje ona szerokie zastosowania tam, gdzie powierzchnia badanego elementu jest w większości niedostępna i gdzie dopuszczalne są stosunkowo duże wady, na przykład rozległe i głębokie ubytki korozyjne. 2.1. Badanie rurociągów Najczęściej badanymi obiektami falami prowadzonymi są rury. Do ich badania stosowane są fale o niskich częstotliwościach, rozchodzące się na dalekie odległości a celem badania jest głównie wykrywanie stosunkowo dużych ubytków korozyjnych. Na rysunku 1 pokazano wykres dyspersyjny obliczony w pracy [2] dla stalowej rury o średnicy 50 mm i ściance 4,5 mm. Dla zakresu częstotliwości do 100 khz istnieje teoretycznie 19 modów fal prowadzonych. W praktyce, ze względu na amplitudę fal i możliwości ich wzbudzania, tylko niektóre z nich mogą być wykorzystane. Te właśnie mody pokazano na wykresie grubymi liniami. Z wykresu widać, że jedynym niedyspersyjnym modem fal jest fala skrętna T(0,1) rozchodząca się z prędkością około 3,3 km/s. Dlatego, aby ułatwić interpretację wyników ten właśnie mod fali jest w badaniach rur najczęściej stosowany. Niską dyspersję wykazuje również fala L(0,2) dla częstotliwości powyżej 50 khz. Prędkość grupowa [km/s] Częstotliwość [khz] Rys. 1. Wykres dyspersyjny dla prędkości grupowych fal prowadzonych dla stalowej rury o średnicy 50 mm i grubości ścianki 4,5 mm (wynik obliczeń z pracy [2]. Mody fal przydatnych w pomiarach: L fale podłużne, T fale skrętne, F fale zginania. Fale skrętne, poza brakiem dyspersji modu podstawowego, wykazują też czułość nie tylko na ubytki grubości wywołane korozją ale również na wady podłużne, które nie są wykrywane 2
falami podłużnymi. Dodatkową zaletą tych fal jest to, że w przeciwieństwie do fal Lamba, nie odpromieniowują one do cieczy znajdującej się wewnątrz badanej rury. Do wzbudzania fal skrętnych potrzebna jest też mniejsza ilość przetworników niż do wzbudzenia jednego, wybranego modu fal Lamba. Aby ilość typów fal wzbudzanych w rurze ograniczyć do jednego, wybranego modu, który na dodatek będzie wypełniał materiał rury na całym jej obwodzie, do wzbudzania fal konieczne okazało się stosowanie zespołów przetworników ułożonych na całym obwodzie rury. Wbudowanych obecnie urządzeniach są to zazwyczaj elastyczne taśmy zawierające wiele przetworników, owijane wokół obwodu rury a docisk przetworników do powierzchni rury jest uzyskiwany przez napełnienie sprężonym powietrzem dętki umieszczonej w taśmie. Fale wzbudzane w rurze rozchodzą się w obie strony od miejsca nadania. Aby odróżnić wskazania od wad z prawej i z lewej strony rurociągu stosuje się zdwojony układ przetworników odbiorczych, pozwalających na podstawie czasu przejścia fal stwierdzić, czy odbite od wad sygnały przychodzą do odbiorników z prawej czy z lewej strony. Rysunek 2 pokazuje typowy wynika badania rurociągu, po obróbce danych, pozwalający na zobrazowanie reflektorów leżących z prawej i z lewej strony. Wskazania od spoin obwodowych Wskazanie od wady OKA Amplituda [-] 25% 10% 10 10 Odległość [m] 10 20 Rys. 2. Wyniki badania rurociągu falami prowadzonymi. Widoczne wskazania od spoin obwodowych, wyznaczone przez nie linie odległościowej korekcji amplitudy i wskazanie od wady (z pracy [3]). Na wykresie widoczne są równomiernie rozłożone co około 6 m wskazania od spoin obwodowych. Spoina, zmieniająca lokalnie grubość falowodu jest dobrym reflektorem (współczynnik odbicia około 25%) i wskazania od spoin są wykorzystywane jako wskaźnik spadku amplitudy fali z odległością. Na podstawie tych wskazań buduje się linie odległościowej korekcji amplitudy pozwalające na ocenę maksymalnego zakresu obserwacji dla konkretnego rurociągu. Zakres ten jest zależny od stanu rury (stopień skorodowania) i od tego, czy rura jest izolowana i czy w środku rurociągu znajduje się ciecz. Na wykresie, po prawej stronie, widoczne jest wskazanie od wady leżącej między 1-szą i 2-gą spoiną. Zazwyczaj układy głowic budowane do badania rurociągów mogą generować nie tylko fale skręcania o amplitudzie rozłożonej równomiernie na obwodzie rury, ale również fale innych typów, na przykład fale zginania. Aparatura analizuje sygnały (echa) uzyskane różnymi falami, które przedstawiane są zazwyczaj na ekranie komputera różnymi kolorami, i 3
z wzajemnych relacji amplitud ech wyciągane są wnioski dotyczące natury wady i ewentualnie jej lokalizacji na obwodzie. Wnioski takie opierają się na zależnościach współczynnikach odbicia różnych fal od wad o różnej geometrii. Na przykład spoiny obwodowe, podobnie jak ubytki grubości rozłożone równomiernie na całym obwodzie rury, są dobrymi reflektorami fal skręcania. Natomiast zlokalizowane wżery korozyjne, zajmujące jedynie fragment obwodu rury, są dobrymi reflektorami fal zginania. Niektórzy autorzy twierdzą, że na podstawie amplitud ech pochodzących od spoin możliwa jest również ocena jakości spoin. Spoina wadliwa będzie zobrazowana jako echo o wyższej amplitudzie niż spoiny bez wad. Ogólnie przyjmuje się, że metoda zapewnia wykrywanie ubytków grubości stanowiących nie mniej niż 10% przekroju rury. W pracy [3] podano, że wykrywane są 30% korozyjne ubytki grubości rozciągające się na 25% obwodu rury. W innych pracach podawana jest wykrywalność równa 5%. Wyniki praktycznych badań rurociągów gazowych i naftowych, wykonanych przez dwie niezależne ekipy, opisane są w pracy [4].Celem badań była stwierdzenie wiarygodności metody i ocena wykrywalności wad. Badania potwierdziły możliwość szybkiego wykrywania ubytków korozyjnych stanowiących 10% przekroju rury. Ciekawa jest klasyfikacja uzyskanych w tej pracy wskazań. Do szybkich napraw przeznaczano rurociągi, w których wykryto ubytki przekroju większe niż 50% powierzchni przekroju rury (!), do dalszej eksploatacji dopuszczano odcinki z ubytkami mniejszymi niż 20%. Obrazuje to, do wykrywania jakich wad stosowana jest defektoskopia dalekozasięgowa. Co ciekawe autorzy pracy, jako zaletę techniki podają możliwość wykrywania wad w miejscach podparcia rurociągów bez potrzeby ich unoszenia. Inni użytkownicy defektoskopii dalekozasięgowej donoszą, że w miejscach podparcia rury wady nie są wykrywane ponieważ samo podparcie, będące lokalną zmianą sztywności rury, jest reflektorem fal prowadzonych i skutecznie zasłania ewentualne wskazania od wad leżących w tym samym miejscu. Inne, przyszłościowe zastosowanie dalekozasięgowej defektoskopii rur podane jest w pracy [5]. Opisuje ona prace nad budową układu przetworników zainstalowanych na stałe na rurze, jeszcze przed nałożeniem na nią izolacji. Badania prowadzone są z myślą o zastosowaniu układów do okresowej, dalekozasięgowej kontroli rurociągów podwodnych. Fale prowadzone, niezależnie od typu, odpromieniowują energię do ośrodka otaczającego ścianki falowodu jakim jest rura. Dlatego amplituda fali, a tym samym i zasięg badania, zależą od tego, czy badana rura jest owinięta izolacją. W pracy [6] podano typowe zasięgi badania rurociągów falami prowadzonymi, przy których wykrywane są wady stanowiące 5% ubytek przekroju rury. W idealnych warunkach, przy badaniu nowej rury bez izolacji, zasięg badania sięga 80 metrów przy czym autorzy dodają, że zasięg badania powinien być ograniczony maksymalnie do 6 spoin obwodowych. Fabrycznie nałożona izolacja bitumiczna ogranicza zasięg do 15-20 metrów. Podobny zasięg stosowany jest do badania skorodowanych, 30-letnich rurociągów bez izolacji ponieważ liczne wżery powodują rozpraszanie fali i spadek jej amplitudy. Taki skorodowany rurociąg w ciężkiej bitumicznej izolacji może być badany na długości jedynie 5 metrów. Opisane wyżej badania prowadzone były falami, których amplituda była rozłożona równomiernie na obwodzie rury. Fale takie informują jedynie w jakiej odległości od miejsca nadawania fal leży wada i nie dostarczają informacji o lokalizacji wady na obwodzie rury. W pracy [7] opisano sposób generacji fal Lamba w rurze głowicami działającymi na zasadzie głowic mozaikowych, umożliwiających generowanie ukierunkowanej wiązki i sterowanie jej kierunkiem. Taki sposób wzbudzania i odbioru umożliwia nie tylko lokalizowanie wad w kierunku długości rury ale również stwierdzenie, czy wada leży na górnej lub dolnej połowie 4
obwodu rury. Z natury fal prowadzonych wynika, że nie jest możliwa ocena, czy wykryta wada leży na wewnętrznej, czy zewnętrznej powierzchni rury. 2.2. Badanie rur wymienników ciepła Badania rurek o mniejszych średnicach falami prowadzonymi opisane jest w pracy [8]. Jest to układ zbudowany do wykrywania wad w rurkach wymienników ciepła a przedmiotem badania były swobodnie wiszące stalowe rurki o średnicach od 12,7 do 25,4 mm i długościach około 6 m, zagięte w połowie długości. Po przeprowadzeniu szeregu doświadczeń z falami różnego typu, do badania rurek wytypowano fale SH rozchodzące się jako drgania skrętne rozchodzące się wzdłuż rurki. Do wzbudzania i odbioru tych fal zbudowano głowicę magnetostrykcyjną pokazana schematycznie na rysunku 3. Składa się ona z głowicy magnetostrykcyjnej osadzonej na rurce, w której wzbudzane są drgania. Rurka ta wkładana jest w otwór rurki wymiennika a jej koniec jest rozpierany mechanizmem z klinem stożkowym tak, że pozwala na przeniesienie drgań skrętnych z rurki głowicy do rurki wymiennika. Częstotliwość drgań wybrana do badania jest kompromisem między potrzebą wykrywania stosunkowo małych wad a uzyskaniem zasięgu obserwacji nie mniejszego niż długość rurek wymienników. Dla rurek o średnicach od 12,7 do 25,4 mm wybrano częstotliwość równą 128 khz, o długości fali równej około 2,5 cm. Trzecim czynnikiem przemawiającym za takim wyborem częstotliwości i modem fal była ich niska dyspersja. Układy N-O rurka wymiennika Nacięcie Rurka wymiennika Siłownik zacisku Tłumik drgań Przetwornik magnetostrykcyjny Mechanizm zaciskowy Rys. 3. Budowa głowicy magnetostrykcyjnej do badania falami skrętnymi rurek wymienników ciepła (z pracy [8]). Wyniki laboratoryjnych badań rurek o średnicy 19,1 mm, grubości ścianki 2,1 mm i długości 6,1 m, z wadami sztucznymi imitującymi pęknięcie i wżer korozyjny pokazano na rysunku 4. W połowie długości rurki były zagięte na promieniu 38 mm. Wadami sztucznymi było nacięcie imitujące pęknięcie (długość 8 mm, maksymalna głębokość 1,3 mm) o powierzchni 4,5% powierzchni przekroju rurki i wyżłobienie imitujące ubytek korozyjny o powierzchni 2% przekroju (średnica 8 mm, głębokość 1,3 mm). Strefa martwa, spowodowana głównie niewytłumionymi drganiami w falowodzie łączącym głowicę z rurką wymiennika, wynosi 50 cm. Widoczny jest praktycznie brak odbicia fal od zagięcia rurki i impulsy odbite od wad sztucznych. Widoczne jest też echo od drugiego końca rurki. Opracowana metoda przeznaczona jest do szybkiego badania i lokalizacji wad. Rurki wykazujące zużycie (wady) mogą być zbadane dokładniej klasycznymi technikami, w celu dokładnej lokalizacji i oceny wielkości wady. 5
impuls początkowy miejsce zgięcia Amplituda nacięcie korozja koniec rurki korozja nacięcie Odległość [m] Rys. 4. Wyniki badania rurki z wadami sztucznymi. a głow ica przyłożona do końca bliższego nacięciu, b głowica przyłożona do drugiego końca rurki (z pracy [8]). 2.2. Badanie dna zbiornika Innym falowodem, w którym mogą propagować się fale prowadzone są płyty czy blachy. Przedmiotem badania, o znacznych rozmiarach, wykonanym z blach, są na przykład dna zbiorników składowych paliw. W pracy [9] opisano układ przeznaczony do wykrywania ubytków korozyjnych w dnach zbiorników składowych ropy. Celem budowy układu było zredukowanie czasu i kosztów badania ogromnych powierzchni (typowo 100 m 2 ) den zbiorników. Do generacji fal wybrano bezkontaktowo działające głowice typu EMAT co pozwoliło na prowadzenie badań bez stosowania ośrodków sprzęgających i czasochłonnego czyszczenia badanych blach. Badanie prowadzone jest metodą echa, głowicą generującą fale typu SH. Dla takich fal, mod podstawowy (n=0) posiada niezależną od grubości blachy prędkość, równą prędkości fal poprzecznych. Wyższe mody (n>1), dla których rozkład drgań nie jest równomierny na grubości blachy, wykazują dyspersję czyli zależność prędkości od grubości blachy i częstotliwości fali. Oznacza to, że dla tych modów, przy stałej częstotliwości, zmiana grubości blachy stanowi zmianę impedancji akustycznej wynikającą ze zmiany prędkości propagacji. To z kolei oznacza, że od miejsc zmiany grubości impulsy wyższych modów fal SH będą się odbijały. Inne wady, jak pęknięcia czy zlokalizowane, głębokie wżery korozyjne, stanowiące geometryczne reflektory, wykrywane są dzięki zjawisku odbicia fal Do badania blach o grubości około 6 mm wybrano dwa mody o częstotliwościach 483 i 675 khz.. Wady wykrywane są niezależnie od tego czy leżą na powierzchni, do której przyłożona jest głowica, czy na powierzchni przeciwległej. Schemat badania pokazany jest na rysunku 5. Do generacji i odbioru fal zastosowano głowicę wyposażoną w mały elektromagnes wytwarzający stałe pole magnetyczne i cewkę w kształcie meandra, o okresie (odległości między uzwojeniami) równym 8 mm dla blachy o grubości 6 mm. Zastosowanie elektromagnesy wynika najprawdopodobniej stąd, że działa on jedynie w momencie nadawania i odbioru a po jego wyłączeniu siły magnetyczne nie utrudniają przesuwania głowicy po powierzchni blachy. Stosując głowicę EMAT, dla blachy 6
o grubości 6 mm, uzyskano czułość badania pozwalającą na wykrywanie rozległych i zlokalizowanych ubytków korozyjnych sięgających 30 50% grubości blachy z odległości do 0,5 m. Głowica EMAT Fala SH Odbicie od wady Rys. 5. Schemat badania dna zbiornika falami SH, metodą echa (z pracy [9]). Na rysunku 6 pokazano wynik badania blachy o grubości 6 mm, z rozległymi wżerami korozyjnymi, o średnicy 100 mm i głębokości równej 30% grubości blachy. Autorzy zwracają uwagę, że w niektórych przypadkach wada na jednej powierzchni blachy może zasłaniać wadę leżącą na drugiej powierzchni. Autorzy we wnioskach piszą, że metoda, dzięki bezkontaktowo pracującemu przetwornikowi EMAT i obserwacji z jednego skanu pasa o szerokości 500 mm, jest szybka i ekonomiczna. Dokładne pomiary grubości w miejscach wykrytych wad można przeprowadzić metodami klasycznymi. Wada na: górnej i dolnej powierzchni EMAT 200 mm 100 mm Obraz oscyloskopowy Rys. 6. Wyniki badania blachy z rozległymi wżerami korozyjnymi (z pracy [9]). Można zauważyć, że w porównaniu do zasięgów uzyskiwanych w badaniach rur, sięgających dziesiątek metrów, zasięg badania blachy, wynoszący jedynie 50 cm, jest znacznie mniejszy. Wynika to nie tylko z faktu, że dla badania blachy wykorzystano fale o wyższych częstotliwościach niż do badania rur i z wykorzystania mały wydajnej głowicy EMAT. Drugim powodem jest rozbieżność wiązki fal rozchodzących się w płytach. Fale prowadzone w falowodach liniowych (pręt, rura) ulęgają osłabieniu jedynie w wyniku pochłaniania i rozproszenia. Natomiast amplituda fali rozchodzącej się w płycie ulega dodatkowo spadkowi wskutek rozbieżności wiązki w płaszczyźnie blachy. 7
2.3. Badanie szyn kolejowych Eksperymenty z wykorzystaniem fal prętowych wykazały, że w szynach kolejowych, zamontowanych w torze, możliwe jest nadawanie i odbieranie fal o niskiej częstotliwości z odległości ponad 2 km. Szyna kolejowa, z jej masywną główką i stosunkowo cienką szyjką i stopką, jest skomplikowanym falowodem. Powoduje to problemy przy interpretacji wyników ponieważ, przykładowo, dla częstotliwości równej 50 khz, w typowej szynie kolejowej teoretycznie może się rozchodzić, z różnymi prędkościami, 20 modów fal [10]. A jak wynika z pracy [11] prędkości grupowe dominujących przy tej częstotliwości modów mogą różnić się dwukrotnie. Dodatkową trudnością jest to, że fala przy odbiciu od wady, w zależności od orientacji wady, może zmieniać mod i powracać do głowicy z inną prędkością niż fala nadana. Zaletą wielomodowości fal w szynach jest teoretycznie to, że wykorzystując mody koncentrujące energie w określonej części szyny, można lokalizować wady w przekroju szyny. Na rysunku 7 pokazano pochodzące z pracy [11] przykładowe rozkłady amplitud dwóch takich modów. Dla jednego z nich drgania są skoncentrowane w stopce szyny, dla drugiego w szyjce. Jednak wzbudzenie w szynie jednego tylko modu fal wymaga zastosowania wielu indywidualnie pobudzanych przetworników rozłożonego na obwodzie szyny i wydaja się być dzisiaj mało praktyczne. Rys. 7. Przykłady dwóch modów fal rozchodzących się w szynie kolejowej (z pracy [11]). W pierwszym energia drgań skoncentrowana jest w stopce, w drugim w szyjce szyny. Najbardziej obiecujące rezultaty przy praktycznych badaniach szyn falami prowadzonymi uzyskano stosując częstotliwości w zakresie 10 50 khz. Zbudowana została aparatura do wykrywania w szynach wad, w odległościach liczonych w metrach od miejsca nadawania. Aparat, opisany w pracy [12], zbudowany został do wykrywania wad na tych odcinkach, na których szyna jest niedostępna, na przykład na przejazdach drogowych (badanie jest możliwe bez zatrzymywania ruchu samochodów) czy w rozjazdach. Innym zastosowaniem aparatury jest szybka kontrola jakości spoin termitowych wykonywanych na szynach w torze. Autorzy znaleźli dobrą korelację między odpornością spoiny na złamanie a amplitudą wskazań uzyskiwanych ich techniką. Rysunek 8 pokazuje przykład uzyskiwanych wyników badania szyny. Widoczna jest strefa martwa sięgająca 2 m, wskazania od końców szyny, od otworów w szyjce i od pęknięcia w stopce szyny. Wykryte pęknięcie obejmowało cały przekrój stopki i część przejścia stopki w szyjkę. W przyszłości przewiduje się wykorzystanie fal prowadzonych do wykrywania wad szyn przy praktycznie dowolnych prędkościach jazdy wagonu badawczego, a nawet wykorzystanie jako źródła fal samej lokomotywy, która mogłaby w czasie jazdy wykrywać ewentualne odbicia wzbudzonych przez siebie przed sobą fal. 8
Koniec iglicy Pęknięcie Koniec szyny Otwory Strefa martwa -14-10 -6-2 0 2 6 Odległość [m] Rys. 8. Przykła dowy wynika badania szyny z otworami na złącze łubkowe i pęknięciem w stopc e (z pracy [12]). Odległość 0 miejsce przyłożenia zestawu do szyny. 2.4. Badanie stalowych lin Stalowe liny są również falowodami fal ultradźwiękowych a w pracy [13] opisany jest układ głowic magnetostrykcyjnych do dalekozasięgowego badania takich lin. Są to liny o średnicy 73 mm podtrzymujące jezdnię mostu wiszącego. Każda lina składa się z sześciu skręconych ze sobą linek o mniejszej średnicy a łącznie lina składa się z 283 drutów. Układ pomiarowy, pokazany na rysunku 9, składa się z głowic nadawczej i odbiorczej wyposażonych w magnesy stałe, wytwarzające w drutach liny stałe pole magnetyczne równoległe do osi liny. Nawinięta wokół liny cewka, wytwarzająca zmienne pole magnetyczne ukierunkowane również wzdłuż liny, dzięki zjawisku magnetostrykcji generuje w linie impuls dali podłużnej o częstotliwości 10 khz. Głowice magnetostrykcyjne pozwalają na badanie lin pokrytych grubą warstwą farby. Impulsy rozchodzą się w obie strony od cewki nadawczej. Cewka odbiorcza jest ustawiona w pewnej odległości od cewki nadawczej. W celu identyfikacji obserwowanych sygnałów, pochodzących od zamocowania liny, wkładek separujących liny i od ewentualnych wad, badanie przeprowadza się dla dwóch różnych położeń cewki odbiorczej. cewka nadawcza cewka odbiorcza lina wada magnes impuls magnes Rys. 9. Schemat badania liny stalowej fala podłużną wzbudzaną i odbierana przetwornikami magnetostrykcyjnymi ( rysunek z pracy [13]). Na rysunku 10 pokazane są wyniki badania czterech lin. Wykres pokazuje dane uzyskane po obróbce eliminującej sygnały pochodzące z drugiej strony liny oraz eliminującej osłabienie 9
Lina nowa a [ - ] Amplitud Liny stare Odległość [m] 0 5 0 5 20 25 30 Rys. 10. Wyniki badania 4 lin pokazujące wskazania od uchwytu (SK), od kołnierza (C) i od wad (strzałki). Wyniki po obróbce komputerowej (rysunek z pracy [13]). sygnału w wyniku propagacji na odległości kilku metrów (zasięgowa regulacja wzmocnienia). Założono, że uwidocznione mają być impulsy powstające od odbicia fali od wad z współczynnikiem odbicia równym 1% (co przy założeniu, że fala jest generowana z jednakową amplitudą we wszystkich drutach odpowiada pęknięciu w 3 drutach). Górny wykres pokazuje wyniki uzyskane na nowej linie a pozostałe na linach starych. We wszystkich linach widoczne są silne sygnały od zamocowań lin i od wkładek separujących liny między sobą. W dwóch starych linach wykryto wady, których wskazania są zaznaczone na wykresie strzałkami. Wada wykryta w trzeciej od góry linie odpowiada ubytkowi przekroju liny równemu 5%, co odpowiada pęknięciu 5 drutów. Autorzy referatu twierdzą, że zbudowany przez nich układ pozwala również na wykrywanie wad w niedostępnych częściach lin znajdujących się w uchwytach. Autorzy pracy nie podają, czy magnetostrykcyjny sposób wzbudzania fal zapewnia jednakową czułość badania wszystkich drutów, tych leżących w zewnętrznych warstwach i tych leżących wewnątrz liny. 2.5. Badanie przewodów elektrycznych w izolacji W pracy [14] opisano wykorzystanie fal prowadzonych do wykrywania uszkodzeń w przewodach elektrycznych. W badaniach wykorzystano fakt, że sztywność wykonanej z tworzywa sztucznego izolacji, poddanej przegrzaniu lub mechanicznemu uszkodzeniu, zmienia się, a to wpływa na rozchodzący się wzdłuż przewodu impuls fal ultradźwiękowych. Schemat badania pokazano na rysunku 11. Badania prowadzono metodą przepuszczania, przy odległości między głowicami dochodzącej do 60 cm. Głowice wykorzystane w pomiarach to głowice na fale podłużne o paśmie częstotliwości od 50 khz do 1,5 MHz, dociskane do badanego przewodu specjalnymi uchwytami. Wzbudzane przez nie w przewodzie fale to fale podłużne i rozchodzące się z mniejszą prędkością fale gięte. Na rysunku 12 pokazano jedno z uszkodzeń (nacięcie) izolacji jakie próbowano wykrywać i wyniki badania. Pokazane są widma częstotliwościowe odbieranego impulsu na przewodzie przed i po wykonaniu nacięcia. Widoczne jest przesunięcie częstotliwości 10
Nadajnik Głowica nadawcza Oscyloskop Przedwzmacniacz Głowica odbiorcza Przewód w izolacji Docisk głowicy Rys. 11. Układ pomiarowy do wykrywania uszkodzeń przewodów elektrycznych w izolacji (z pracy [14]). spowodowane istnieniem wady. Podjęte badania były wynikiem katastrof lotniczych i kosmicznych spowodowanych uszkodzeniami izolacji przewodów, które doprowadziły do pożarów. Celem prac jest opracowanie techniki badania izolacji przewodów, do których nie ma dostępu i których nie można skontrolować wizualnie. przed po Rys. 12. Wada sztuczna (nacięcie izolacji) i wodma częstotliwościowe odbieranego impulsu przed i po nacięciu wady (z pracy [14). 3. WNIOSKI Częstotliwość [KHz] Jak napisano w [4] skuteczność defektoskopii dalekozasięgowej zależy od szeregu czynników a najważniejszym z nich jest wyszkolenie osób prowadzących badania. W odróżnieniu od klasycznej defektoskopii ultradźwiękowej inne są prawa opisujące odbicie fal od wad (metoda OWR nie działa!), a z powodu istnienia wielu modów fal interpretacja wyników jest trudniejsza i wymaga doświadczenia. Najważniejszą różnicą jest to, że badanie falami prowadzonymi nie informuje bezpośrednio o głębokości wady (ubytku grubości) ale daje informację zależną zarówno od głębokości wady i jej rozciągłości w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali oraz częściowo zależną od długości wady w kierunku propagacji fali. 11
Korzyści wynikające z stosowania defektoskopii dalekozasiegowej to szybkość badania i wynikające stad niskie koszty oraz możliwość badania niedostępnych części, na przykład rurociągu ukrytego w wykopie czy pod izolacją. Ograniczenia o jakich donoszą autorzy prac to niższa wykrywalność wad w porównaniu do klasycznej defektoskopii ultradźwiękowej oraz ograniczenia wynikające z natury fal prowadzonych. Autorzy są zgodnie co do tego, że w przypadku badania rurociagów dzisiejsza aparatura pozwala wykrywać ubytki przekroju nie mniejsze niż 9% przekroju rury. Na podstawie praktycznych doświadczeń stwierdzono, że wykrywalność wad gwałtownie spada w przypadku rurociągów zawierajacych lepkie ciecze, pokrytych betonową izolacja lub ciężką izolacja bitumiczną. Takie ośrodki kontaktujące się z powierzchnią stalowej rury od środka lub od zewnątrz, powodują silne odpromieniowywanie do nich fal i gwałtowny spadek amplitudy fali z odległością. Innym ograniczeniem jest duża ilość zagięć ruroiągu lub spoin obwodowych. Stanowia one reflektory dla fal prowadzonych i również powodują szybki spadek amplitudy fali ograniczając tym samym zasięg badania. Ograniczenia te powodują, że obecnie defektoskopia dalekozasięgowa uważana jest za uzupełnienie klasycznych badań ultradźwiękowych a nie za technikę mogącą je zastąpić. Ilość produkowanej obecnie aparatury do ultradźwiękowej defektoskopii dalekozasięgowej oraz liczba publikacji poświęceni tej tematyce świadczą, że pomimo ograniczeń ta nowa metoda badania staje się rutynową techniką kontrolną. Opisane przykłady pokazują, że do generacji fal prowadzonych stosowane są różnego typu przetworniki. Poczynając od znanych głowic kątowych i wieloelementowych głowic piezoelektrycznych, stosowanych do wzbudzania fal Lamba, drgań skrętnych i fal SH, poprzez przetworniki typu EMAT do przetworników magnetostrykcyjnych. LITERATURA 1. niepublikowana ekspertyza A. Pilarskiego i J. Szelążka. Zespół Rzeczoznawców SIMP, Warszawa 1987. 2. A. Demma, D. Alleyne, B. Pavlakovic, Testing of Buried Pipelines Using Guided Waves, 3rd MENDT - Middle East Nondestructive Testing Conference & Exhibition - 27-30 Nov 2005 Bahrain, Manama, http://www.ndt.net/article/mendt2005/pdf/33.pdf 3. S. Lesback, Non-Invasive Inspection Method For Unpiggable Pipeline Sections, PetroChem Inspection Services, Houston, TX, http://www.petrochemintl.com/article.pdf (Pipeline&Gas Journal, June 2002) 4. M. I. Al-Ammandi, Long range ultrasonic inspection guided wave ut an end-user s view, 3rd MENDT - Middle East Nondestructive Testing Conference & Exhibition - 27-30 Nov 2005 Bahrain, Manama, http://www.ndt.net/article/mendt2005/pdf/15.pdf 5. K.Vine, D. Alleyne, Development of Permanently Installed Transducers for Guided Wave Inspection, 3rd MENDT Middle East Nondestructive Testing Conference & Exhibition 27-30 Nov 2005 Bahrain, Manama http://www.ndt.net/article/mendt2005/pdf/p16.pdf 6. F.Bresciani, S.Pinca, Ch.Ervetto, Advances NDE Techniques and Reliability Engineering Assessments for Piping and Storage anks in Refineries and Petrochemical Plants, 3rd MENDT - Middle East Nondestructive Testing Conference & Exhibition - 27-30 Nov 2005 Bahrain, Manama, http://www.ndt.net/article/mendt2005/pdf/02.pdf 12
7. P. J. Mudge, Practical enhancements achievable in long range ultrasonic testing by exploiting the properties of guided waves, Plant Integrity Limited, Cambridge, United Kingdom, http://www.ndt.net/article/wcndt2004/pdf/guided_waves/785_mudge.pdf 8. H. Kwun, J.F. Crane, S.Y. Kim, A.J. Parvin, G.M. Light, A torsional-mode guided-wave probe for long-range, in-bore heat exchanger tubing inspection - 3rd MENDT - Middle East Nondestructive Testing Conference & Exhibition, 27-30 Nov 2005 Bahrain, Manama, www.ndt.net 9. H.-J. Salzburger, G. Hübschen, Detection of corrosion in bottom plates of gas and oil tanks using guided ultrasonic waves and electromagnetic ultrasonic (EMAT) transducers, A Presentation prepared for the Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfverfahren, July 1988 by, Fraunhofer-Institut zerstörungsfreie Prüfverfahren. 10. I. Bartolia, F. Lanza di Scaleaa, M. Fatehb, E. Violac, Modeling guided wave propagation with application to the long-range defect detection in railroad tracks, NDT&E International 38 (2005) 325 334 11. T. Hayashi, W.-J. Song, J. L. Rose Guided wave dispersion curves for a bar with an arbitrary cross-section, a rod and rail example, Ultrasonics 41 (2003) 175 183 12. http://www.guided-ultrasonics.com/rail/docs/gscan_apps.pdf 13. D. A. Khazem, H. Kwun, S.-Y. Kim, C. Dynes, Long-Range Inspection of Suspender Ropes in Suspension Bridges Using the Magnetstrictive Sensor Technology,, Southwest Research Institute, 6220 Culebra Road, San Antonio, http://www.mkckorea.com/catalog/swri/data/shm_paper.pdf 14. R. F. Anastasi, Application of Ultrasonic Guided Waves for Evaluating Aging Wire Insulation, U.S. Army Research Laboratory Vehicle Technology Directorate Langley Research Center, Hampton, Virginia, http://library-dspace.larc.nasa.gov/dspace/jsp/bitstream/2002/14895/1/nasa-2005- tm213520.pdf 13