«ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΡΡΟΗΣ MFL ΣΤΟ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟ ΕΛΕΓΧΟ»

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΡΡΟΗΣ MFL ΣΤΟ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟ ΕΛΕΓΧΟ» Μαρία Ιωάννα Κοκονέζη Επιβλέπων καθηγητής: κος Θεόδωρος Θεοδουλίδης ΚΟΖΑΝΗ(ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ, 2018)

2 Περιεχόμενα Περίληψη... 3 Abstract... 5 Ευχαριστίες Εισαγωγή στους Μη Καταστροφικούς Ελέγχους Η Μέθοδος της Μαγνητικής Διαρροής (Magnetic Flux Leakage- MFL) Ιστορική αναδρομή Βασικές αρχές του μαγνητισμού Πολικότητα Μαγνητικό πεδίο Ένταση μαγνητικού πεδίου Μαγνητική επαγωγή Μαγνητική Διαπερατότητα Μαγνητική Αντίσταση Μαγνητικός Κορεσμός Βρόχος Υστέρησης Μαγνήτιση Περιγραφή της μεθόδου Μαγνητικής Διαρροής (Magnetic Flux Leakage- MFL) Αστοχίες εξωτερικής διαμέτρου (OD) Αστοχίες εσωτερικής διαμέτρου (ID) Απομείωση Πάχους Ηλεκτρομαγνητικά πηνία Σύνθετη Αντίσταση Παράγοντες που επηρεάζουν τη μέθοδο Μαγνητικής Διαρροής Μέγεθος ελαττωμάτων Κορεσμός σε μαγνητικές γραμμές Ταχύτητα έλξης (pulling speed)..26 1

3 2.7 Οργανολογία για τη μέθοδο της μαγνητικής διαρροής Όργανα μέτρησης Πρότυπα δοκίμια βαθμονόμησης Κεφαλές στη μέθοδο της Μαγνητικής Διαρροής Προσομοίωση της Μεθόδου Μαγνητικής Διαρροής Προσομοίωση μαγνητικού πεδίου με μαθηματικά μοντέλα Προσομοίωση με χρήση της Μεθόδου Πεπερασμένων Στοιχείων (FEM Theory) Προσομοίωση μαγνητικού πεδίου με το COMSOL Multiphysics 37 4.Πειραματικές μετρήσεις.47 5.Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

4 Περίληψη Η παρούσα Διπλωματική με τίτλο «Θεωρητική και πειραματική διερεύνηση της μεθόδου μαγνητικής διαρροής (MFL) στο μη καταστροφικό έλεγχο» πραγματοποιήθηκε στην Κοζάνη, στο τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Δυτικής Μακεδονίας, στο εργαστήριο μη καταστροφικών ελέγχων, τη χρονική περίοδο Σεπτέμβριος 2017 με Οκτώβριος Σκοπός της διπλωματικής ήταν η θεωρητική και πειραματική ανάλυση της μεθόδου μαγνητικής διαρροής (Magnetic Flux Leakage-MFL) σε σιδηρομαγνητικά υλικά. Αρχικά, γίνεται εισαγωγή στον όρο των μη καταστροφικών ελέγχων, δίνοντας ιδιαίτερη βάση στη μέθοδο MFL και συγκρίνοντας τη με κάποιες αντίστοιχες μεθόδους ηλεκτρομαγνητικού ελέγχου. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στις βασικές αρχές του μαγνητισμού, καθώς και μια πιο επισταμένη ανάλυση της μεθόδου. Συγκεκριμένα, αναλύεται η δομή των κεφαλών που χρησιμοποιούνται στη μέθοδο, με βάση τις πληροφορίες που λάβαμε από την εταιρεία μη καταστροφικών ελέγχων Olympus, παρατίθενται τα διάφορα είδη κεφαλών-πηνίων που χρησιμοποιούνται, αναφέρονται οι παράγοντες που επηρεάζουν τη μέθοδο και τελικά περιγράφονται τα πρότυπα δοκίμια βαθμονόμησης καθώς και τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν στον έλεγχο. Στο σημείο αυτό να σημειωθεί ότι πραγματοποιήθηκε εργαστηριακός έλεγχος σωλήνων εναλλάκτη θερμότητας με την κεφαλή TFB 132 N20 της εταιρείας Olympus, χρησιμοποιώντας το μηχάνημα MS5800 και το λογισμικό Multiview της ίδιας εταιρείας. Αφού έγινε η θεωρητική ανάλυση της μεθόδου, παρατίθενται τα αποτελέσματα που λάβαμε από τη μαθηματική προσομοίωση και την προσομοίωση με τη χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων. Και στις δύο περιπτώσεις προσπαθήσαμε να δούμε τη συμπεριφορά του μαγνητικού πεδίου, όταν στο υπό εξέταση δοκίμιο υπάρχει κάποια αστοχία. Όσον αφορά την περίπτωση της μαθηματικής προσομοίωσης τα αποτελέσματά μας δεν συμβάδιζαν απόλυτα με αυτά που παρατίθενται βιβλιογραφικά και λόγω της αδυναμίας μας να εξηγήσουμε αυτή την απόκλιση στραφήκαμε στην προσομοίωση της μεθόδου με πεπερασμένα στοιχεία. Για την πραγματοποίηση αυτής της προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα COMSOL Multiphysics και τα αποτελέσματα που ελήφθησαν δείχνουν ότι το μαγνητικό πεδίο μεταβάλλεται τόσο ανάλογα με την απόσταση του μαγνήτη από την αστοχία, όσο και από το είδος της αστοχίας. Το τελευταίο κομμάτι της διπλωματικής περιλαμβάνει τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας το μηχάνημα MS5800 και το 3

5 πρόγραμμα Multiview της εταιρείας Olympus. Έτσι, παρατίθεται μια γραφική απεικόνιση των σημάτων που λάβαμε και γίνεται σύγκρισή τους με αντίστοιχα σήματα που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας μια ανάλογη μέθοδο μη καταστροφικών ελέγχων τη Μέθοδο Απομακρυσμένου Πεδίου-Remote Field Testing (RFT). Τα αποτελέσματα της σύγκρισης είναι παρόμοια για τις δυο μεθόδους, ωστόσο γνωρίζουμε βιβλιογραφικά ότι η MFL είναι καλύτερη στην ανίχνευση ελαττωμάτων εσωτερικής διαμέτρου, τα οποία δεν ήταν δυνατόν να πραγματοποιηθούν λόγω έλλειψης του κατάλληλου εργαστηριακού μηχανολογικού εξοπλισμού. 4

6 Abstract The present Diploma Thesis entitled Theoretical and Experimental Investigation of Magnetic Flux Leakage Method (MFL) in Nondestructive Testing was accomplished in Kozani, at the department of Mechanical Engineering of the University of Western Macedonia from September 2017 to October Firstly, a general preview of the nondestructive testing is given, mainly focused on the MFL method, which is compared to similar electromagnetic NDT methods used for ferromagnetic materials. Furthermore, a theoretical analysis of the basics of magnetism is given followed by an extensive analysis of the operation of the MFL method. In addition, the results of a mathematical simulation and a simulation by finite elements are given, in order to explain how the magnetic field is distorted in the presence of a fault in the examined tube. Last but not least, the results of the NDT of a heat exchanger using a MFL probe are given and compared to the results of a NDT using the Remote Field Testing method (RFT). 5

7 Ευχαριστίες Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Θεόδωρο Θεοδουλίδη για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με έναν ιδιαίτερα ενδιαφέροντα κλάδο της μηχανικής καθώς και για τη συνεχή και ανεκτική καθοδήγησή του. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω το διδάκτορα και φίλο μου Θανάση Κυριαζόγλου για την αμέριστη βοήθειά του κατά τη διάρκεια εκπόνησης της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να αφιερώσω την εν λόγω εργασία στις γιαγιάδες μου Μαρία Κοκονέζη και Γαρυφαλλιά Φραγκιουδάκη. 6

8 1. Εισαγωγή στους Μη Καταστροφικούς Ελέγχους Ο όρος «Μη Καταστροφικοί Έλεγχοι» χρησιμοποιείται για να περιγράψει ένα πλήθος μεθόδων, οι οποίες εστιάζουν στην εξέταση της δομής, της χρησιμότητας και της λειτουργικότητας ενός υλικού-αντικειμένου (δοκιμίου), μεταλλικού ή μη. Σκοπός τους είναι να διαπιστωθεί η ύπαρξη ασυνεχειών ή αστοχιών στο εν λόγω αντικείμενο, οι οποίες θα μπορούσαν να προκαλέσουν ανεπανόρθωτα ατυχήματα ή/και βλάβες. Κύριο χαρακτηριστικό αυτών των μεθόδων είναι ότι εφαρμόζονται χωρίς να αλλοιώσουν ή να αλλάξουν τις ιδιότητες ή τη μορφή του δοκιμίου, σε αντίθεση με τις μεθόδους των καταστροφικών ελέγχων, κατά τη διεξαγωγή των οποίων το εκάστοτε δοκίμιο καταστρέφεται. Αποτέλεσμα λοιπόν αυτών των ελέγχων είναι ότι καθίσταται αδύνατη η οποιαδήποτε μελλοντική επανεξέταση του συγκεκριμένου δοκιμίου, ενώ την ίδια στιγμή εμφανίζεται η ανάγκη κατασκευής ενός νέου προς εξέταση. Έτσι, οι μέθοδοι καταστροφικών ελέγχων καταλήγουν να είναι περισσότερο δαπανηρές και χρονοβόρες, γεγονός το οποίο τις κάνει να μειονεκτούν έναντι των αντίστοιχων μεθόδων μη καταστροφικών ελέγχων. Η διεξαγωγή μη καταστροφικών ελέγχων είναι μια διαδικασία η οποία πραγματοποιείται και συνειδητά, αλλά κατά κύριο λόγο ασυνείδητα, από το μέσο άνθρωπο καθημερινά. Για παράδειγμα, το ανθρώπινο σώμα θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως ένας θεμελιώδης μηχανισμός διεξαγωγής μη καταστροφικών ελέγχων. Συγκεκριμένα, μέσω της αίσθησης της αφής μπορούμε να διαπιστώσουμε τη μορφή, την τραχύτητα ή και το μέγεθος ενός αντικειμένου χωρίς απαραιτήτως να το βλέπουμε, μέσω της αίσθησης της ακοής μπορούμε να λάβουμε αποφάσεις όπως το αν θα διασχίσουμε ένα δρόμο ή όχι και φυσικά μέσω της αίσθησης της όρασης μπορούμε να εξετάσουμε ένα οποιοδήποτε αντικείμενο και να εξάγουμε τα ανάλογα συμπεράσματα. Τον οπτικό έλεγχο άλλωστε χρησιμοποιούσαν και στην αρχαιότητα οι τότε μηχανικοί για να εξετάσουν την ορθότητα των υπολογισμών τους και ως εκ τούτου των κατασκευών τους. [1] οι εξής: Οι διάφορες μέθοδοι μη καταστροφικών ελέγχων που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι Οπτικός έλεγχος (Visual Testing-VT) Διεισδυτικά υγρά (Liquid Penetrant Testing-LT) Ραδιογραφία (Radiographic Testing-RT) Έλεγχος με χρήση υπερήχων (Ultrasonic Testing-UT) Έλεγχος με Μαγνητική Διαρροή (Magnetic Flux Leakage- MFL) 7

9 Έλεγχος με τη μέθοδο των δινορρευμάτων (Eddy Current Testing-ECT) Μέθοδος ακουστικής εκπομπής (Acoustic Εmission Testing-AET) Θερμογραφία (Thermography) Η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου εξαρτάται από το είδος του προβλήματος, δηλαδή από το είδος των υπό ανίχνευση ατελειών, το πεδίο εφαρμογής του εκάστοτε δοκιμίου και εν γένει από τα πλεονεκτήματα ή τα μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου. Έτσι λοιπόν, η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου είναι κομμάτι ζωτικής σημασίας για την αποφυγή λαθών, παρερμηνειών ή ελλιπών αποτελεσμάτων. Στη συγκεκριμένη διπλωματική μελετάται η μέθοδος της Μαγνητικής Διαρροής. Η συγκεκριμένη μέθοδος είναι μια από τις μεθόδους που χρησιμοποιείται στον έλεγχο κυρίως σωλήνων από σιδηρομαγνητικό υλικό. Άλλες τέτοιες μέθοδοι είναι η Μέθοδος Εγγύς Πεδίου- Near Field Testing (NFT), η Μέθοδος Απομακρυσμένου Πεδίου-Remote Field Testing (RFT) και η Μέθοδος των Κλασικών Δινορρευμάτων-Eddy Current Testing (ECT). Βασικά πλεονεκτήματα της MFL είναι ότι είναι μια πολύ ευαίσθητη μέθοδος στην ανίχνευση ρωγμών εσωτερικά του σωλήνα, καθώς επίσης ότι η ταχύτητα έλξης της κεφαλής MFL μπορεί να είναι υψηλή. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τρεις πίνακες σύγκρισης της μεθόδου MFL με τις RFT, NFT και ECT για διάφορους τομείς. Πίνακας 1-1 : Σύγκριση μεθόδων βάσει του τύπου της αστοχίας (Casp System-Advanced Technologies) [7] 8

10 Πίνακας 1-2 : Σύγκριση μεθόδων βάσει της δυνατότητας διαστασιολόγησης της αστοχίας (Casp System-Advanced Technologies) [7] Πίνακας 1-3 : Σύγκριση μεθόδων βάσει του υλικού του υπό έλεγχο δοκιμίου (Casp System-Advanced Technologies) [7] 9

11 Τα συμπεράσματα που παίρνουμε από αυτή τη σύγκριση των μεθόδων είναι ότι η MFL είναι εξαιρετική στον έλεγχο σιδηρομαγνητικών υλικών, με πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα σε εντοπισμό αστοχιών όπως εσωτερικές ρωγμές και εσωτερικές απομειώσεις πάχους, ενώ είναι εντελώς ακατάλληλη για την ακριβή διαστασιολόγηση οποιουδήποτε σφάλματος. 10

12 2. Η Μέθοδος της Μαγνητικής Διαρροής (Magnetic Flux Leakage- MFL) 2.1 Ιστορική αναδρομή Ο μαγνητισμός ως φαινόμενο παρατηρήθηκε ήδη από την εποχή των αρχαίων Ελλήνων και Κινέζων, οι οποίοι γύρω στα 1000 π.χ. ανακάλυψαν ότι μια χαλύβδινη βελόνα η οποία φέρει μαγνητικό φορτίο αν αφεθεί ελεύθερη δείχνει το βορρά. [1] Στα 1700 ο Γάλλος φυσικός Charles Coulomb διατύπωσε το νόμο του αντίστροφου τετραγώνου της απόστασης, δηλαδή ότι οι μαγνητικές δυνάμεις έλξης και απώθησης είναι ανάλογες με τη δύναμη των πόλων και αντιστρόφως ανάλογες του τετραγώνου της απόστασής τους από αυτούς. Στα 1800 ο φυσικός Andre-Marie Ampere απέδειξε ότι ένα μαγνητικό πεδίο επιδρά στη ροή του ρεύματος. Αυτό σημαίνει ότι αν έχουμε δύο παράλληλα ρεύματα, στην ίδια διεύθυνση έλκονται, ενώ στην αντίθετη διεύθυνση απωθούνται. [1] Σήμερα, οι βασικές αρχές του μαγνητισμού έχουν γίνει κατανοητές σε μεγάλο βαθμό. Έτσι, βασιζόμενη σε αυτές τις αρχές, η σύγχρονη επιστημονική κοινότητα προσπαθεί να αναπτύξει ή και να εξελίξει τις ήδη υπάρχουσες δομές και υπηρεσίες, ώστε να εξυπηρετήσει όσο γίνεται καλύτερα τις ανάγκες του ανθρώπου τόσο για ενέργεια όσο και για συντήρηση των κατασκευών. 2.2 Βασικές αρχές του μαγνητισμού Πολικότητα Πολλές από τις βασικές αρχές του μαγνητισμού μπορούν να εξαχθούν με απλή παρατήρηση της «συμπεριφοράς» μιας μαγνητισμένης ράβδου και της αλληλεπίδρασής της με σιδηρομαγνητικά υλικά καθώς και με άλλες μαγνητισμένες ράβδους. Αν δέσουμε το κέντρο μιας μαγνητισμένης ράβδου με ένα νήμα, τότε εκείνη τείνει να ευθυγραμμιστεί τελικά με το μαγνητικό πεδίο της γης, έτσι ώστε το ένα άκρο της να δείχνει προς το γεωγραφικό Βορρά και το άλλο προς το Νότο. Έτσι, κατά συνθήκη αυτό το άκρο της ράβδου ονομάζεται «βόρειος πόλος», ενώ το άλλο «νότιος πόλος». [1] 11

13 2.2.2 Μαγνητικό πεδίο Η απλή παρατήρηση της αλληλεπίδρασης των πόλων της ράβδου δείχνει ότι την περιβάλλει ένα τρισδιάστατο πεδίο δύναμης. Αυτό το τρισδιάστατο πεδίο μπορεί να παρασταθεί σε δύο διαστάσεις, μέσω ενός μαγνητογράφου. Συγκεκριμένα τοποθετώντας ένα φύλλο απλού λευκού χαρτιού πάνω σε μια μαγνητική ράβδο και ψεκάζοντας το με σιδηρομαγνητικά σωματίδια, παρατηρούμε ότι τα σωματίδια αυτά συγκεντρώνονται γύρω από τις γραμμές δύναμης του μαγνητικού πεδίου και παρουσιάζεται μια εικόνα όπως αυτή της Εικόνα 2-1 : Μαγνητογράφος (Charles Hellier Handbook of Nondestructive Evaluation 2003) [1] Εικόνας 2-1. Αυτές οι γραμμές δύναμης ονομάζονται Δυναμικές Γραμμές και ρέουν σε αδιάσπαστες διαδρομές, χωρίς να διακόπτουν η μια την άλλη είτε μέσα είτε γύρω από τη ράβδο. Η λέξη «ροή» υποδηλώνει κάποιου είδους κατεύθυνση στην κίνηση τους και συμβατικά αυτή η κατεύθυνση θεωρείται ότι είναι από το βόρειο προς το νότιο πόλο της ράβδου. Με άλλα λόγια, η μαγνητική ροή πραγματοποιείται από το βόρειο πόλο της ράβδου έως το νότιο μέσω του περιβάλλοντος αέρα και για να ολοκληρωθεί ο μαγνητικός κύκλος, η ροή επιστρέφει από το νότιο πόλο στο βόρειο στο εσωτερικό της ράβδου. [1] Ένταση μαγνητικού πεδίου Όταν ο βόρειος πόλος μιας μαγνητισμένης ράβδου τοποθετείται κοντά στο νότιο πόλο μιας άλλης, παρατηρείται ότι η μια ράβδος έλκει την άλλη. Το φαινόμενο αυτό γίνεται όλο και πιο έντονο όσο πιο κοντά έρχονται οι δύο ράβδοι. Αντίθετα, αν δύο βόρειοι ή νότιοι πόλοι τοποθετηθούν κοντά ο ένας στον άλλο, απωθούνται. Ο συνολικός αριθμός δυναμικών γραμμών, οι οποίες καθορίζουν τις δυνάμεις έλξης ή απώθησης, είναι γνωστός ως «Μαγνητικές Δυνάμεις». Οι μαγνητικές δυνάμεις συνθέτουν ένα μαγνητικό πεδίο, του οποίου η ένταση συμβολίζεται με «Η» και μετριέται σε A/m. [1] 12

14 2.2.4 Μαγνητική επαγωγή Η πυκνότητα ροής (μαγνητική επαγωγή) ορίζεται ως «ο αριθμός των δυναμικών γραμμών ανά μονάδα επιφάνειας». Παρατηρούμε από την Εικόνα 2-1, ότι η μέγιστη συγκέντρωση ροής βρίσκεται στους πόλους της ράβδου. Μετριέται σε Tesla και συμβολίζεται με «Β». [1] Μαγνητική Διαπερατότητα Μαγνητική διαπερατότητα καλείται η ευκολία με την οποία το μαγνητικό πεδίο «ρέει» μέσα από ένα υλικό και συμβολίζεται με «μ». Μαθηματικά η μαγνητική διαπερατότητα ορίζεται ως το πηλίκο της μαγνητικής επαγωγής προς την εφαρμοζόμενη ένταση μαγνητικού πεδίου, δηλαδή: μ = Β Η Ωστόσο, για πρακτικές εφαρμογές είναι πιο εύκολο να χρησιμοποιείται η σχετική διαπερατότητα «μ r», η οποία προσδιορίζεται συγκρίνοντας τη διαπερατότητα ενός υλικού με αυτή του κενού «μ 0». Μαθηματικά η μαγνητική διαπερατότητα συνδέεται με τη σχετική διαπερατότητα και αυτή του κενού μέσω του τύπου: μ = μ r μ 0 Γενικά, η μαγνητική διαπερατότητα του κενού ισούται με: μ 0 = 4π10 7 Η m. Τα υλικά τα οποία μαγνητίζονται εύκολα κάτω από δυνάμεις χαμηλής μαγνήτισης έχουν υψηλή διαπερατότητα και λέγονται σιδηρομαγνητικά, με σχετική διαπερατότητα περίπου ίση με τη μονάδα. Τέτοια υλικά είναι για παράδειγμα ο σίδηρος, το νικέλιο, το κοβάλτιο κλπ. Υλικά που έλκονται πολύ ασθενώς από τις μαγνητικές δυνάμεις και δε μαγνητίζονται καλούνται παραμαγνητικά με σχετική διαπερατότητα λίγο πάνω από τη μονάδα. Τέλος, τα διαμαγνητικά υλικά απωθούνται ελαφρώς από ένα μαγνήτη και δε μαγνητίζονται. Αυτά τα υλικά, όπως ο χρυσός ή το βισμούθιο, έχουν σχετική διαπερατότητα λίγο μικρότερη της μονάδας. [1] Μαγνητική Αντίσταση Η μαγνητική ροή ακολουθεί πάντα τη διαδρομή της ελάχιστης μαγνητικής αντίστασης (R). Οι παράγοντες που την επηρεάζουν είναι οι εξής: Το μήκος του μαγνητικού κυκλώματος (λ) 13

15 Η περιοχή της εγκάρσιας διατομής του μαγνητικού κυκλώματος (Α) Η διαπερατότητα του μαγνητικού κυκλώματος (μ). Μαθηματικά εκφράζεται με τον τύπο: R = λ μα Εναλλακτικά, ένα υλικό χαρακτηρίζεται χαμηλής μαγνητικής διαπερατότητας αν έχει υψηλή μαγνητική αντίσταση. Μονάδα μέτρησης της μαγνητικής αντίστασης είναι το Ωhm. [1] Μαγνητικός Κορεσμός Οι δυναμικές γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου απωθούν τις γειτονικές γραμμές που ρέουν προς την ίδια κατεύθυνση. Όσο η μαγνητική επαγωγή αυξάνεται, τόσο αυξάνεται και αυτή η δύναμη απώθησης. Για το εκάστοτε υλικό υπάρχει μια μέγιστη τιμή όσο αφορά τη μαγνητική επαγωγή, που μπορεί να διατηρηθεί. Όταν αυτή η τιμή επιτευχθεί, το υλικό καλείται «κορεσμένο». Όσο η μαγνητική επαγωγή τείνει προς τον κορεσμό, η μαγνητική αντίσταση του υλικού αυξάνεται, ενώ η μαγνητική διαπερατότητα μειώνεται και τείνει προς αυτή του κενού. Στον κορεσμό οποιαδήποτε περαιτέρω αύξηση των μαγνητικών δυνάμεων, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η διαδρομή με την ελάχιστη αντίσταση είναι πλέον μέσω του αέρα που περιβάλλει το υλικό και εν τέλει αυτή είναι και η διαδρομή που ακολουθείται. [1] Βρόχος Υστέρησης Η υστέρηση περιγράφει πώς αλλάζει η μαγνητική επαγωγή (Β) σε ένα μαγνητικό υλικό σε σχέση με την ένταση του μαγνητικού πεδίου (Η). Όπως παρατηρείται από την Εικόνα 2-2, θωρούμε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό το οποίο δεν είναι αρχικά μαγνητισμένο. Εφαρμόζουμε σε αυτό ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο έντασης Η, το οποίο προκαλεί την αύξηση της μαγνητικής επαγωγής Β προς τη διεύθυνση του πεδίου (virgin curve). Όσο αυξάνεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου, αυξάνεται και η μαγνητική επαγωγή, μέχρις ότου φτάσουμε σε ένα σημείου όπου οποιαδήποτε περαιτέρω αύξηση του μαγνητικού πεδίου δε θα προκαλέσει καμία μεταβολή στη μαγνητική επαγωγή. Το σημείο αυτό το ονομάζουμε σημείο κορεσμού (saturation). Αν θέλουμε η συνολική μαγνητική επαγωγή να είναι μηδενική θα πρέπει να εφαρμόσουμε ένα μαγνητικό πεδίο αντίθετης διεύθυνσης. Όπως παρατηρούμε από την Εικόνα 2-2, μέχρις ότου να γίνει αυτό, περνάμε από ένα σημείο όπου η ένταση του μαγνητικού πεδίου μηδενίζεται, ενώ η μαγνητική επαγωγή όχι. Αυτό οφείλεται στον εναπομείναντα μαγνητισμό (residual magnetism) του υλικού, που το καθιστά μαγνητισμένο ακόμα και αν δεν εφαρμόζεται 14

16 σε αυτό κανένα μαγνητικό πεδίο. Αφού προσπεράσουμε αυτό το σημείο και εφαρμόσουμε το αντίθετης έντασης μαγνητικό πεδίο ή συνεκτικό πεδίου (coercive force) που χρειαζόμαστε, έχουμε τη σταδιακή μείωση και εν τέλει το μηδενισμό της συνολικής μαγνητικής επαγωγής. Η επανάληψη όλης της διαδικασίας από την αντίθετη διεύθυνση, θα ολοκληρώσει το βρόχο υστέρησης, ο οποίος θα έχει τη μορφή της Εικόνας 2-2. Μπορεί να παρατηρηθεί ότι αφού έχει προκληθεί ο αρχικός κορεσμός, η καμπύλη συνεχίζει να έχει το «S» σχήμα και ποτέ δε θα επιστρέψει στο μηδέν, εξαιτίας του εναπομείναντος μαγνητισμού, εκτός εάν απομαγνητιστεί το υλικό. Εικόνα 2-2 : Βρόχος υστέρησης(asm Metals Handbook, Vol 17) [1] Μπορούμε να συλλέξουμε ένα πλήθος πληροφοριών σχετικά με τις ιδιότητες του υλικού από το βρόχο υστέρησης. Για παράδειγμα, η κλίση της αρχικής καμπύλης (virgin curve) δείχνει τη διαπερατότητα και την αντίσταση ενός υλικού. Συγκεκριμένα, απότομη κλίση σημαίνει υψηλή διαπερατότητα, ενώ μια πιο ήπια κλίση σημαίνει υψηλή αντίσταση. Επιπλέον, το εμβαδόν του βρόχου υστέρησης είναι ανάλογο των απωλειών υστέρησης, δηλαδή της ενέργειας που χάνεται σε μορφή θερμότητας κάθε φορά που η ένταση του μαγνητικού πεδίου κάνει έναν πλήρη κύκλο. Τέλος, οι απώλειες υστέρησης εκφράζουν τις απώλειες που θα ξοδεύαμε για να απομαγνητίσουμε το μαγνητισμένο υλικό. [1] 15

17 2.2.9 Μαγνήτιση Στη δημιουργία ενός βρόχου υστέρησης, η αύξηση και η μείωση των μαγνητικών δυνάμεων ήταν δυνατή με την τοποθέτηση ενός ισχυρού μόνιμου μαγνήτη είτε πιο κοντά είτε πιο μακριά από το αντικείμενο που μαγνητίζονταν. Η «αρνητική μαγνήτιση» ή μαγνήτιση στην αντίθετη κατεύθυνση καθίσταται δυνατή με την αντιστροφή του προσανατολισμού του ισχυρού μαγνήτη, έτσι ώστε ο αντίθετος πόλος να είναι πιο κοντά στο αντικείμενο. Μαγνητισμός μπορεί επίσης να παραχθεί και από ηλεκτρικά μέσα. Αν ηλεκτρικό ρεύμα ρέει διαμέσου ενός αγωγού, τότε θα δημιουργηθεί μαγνητική ροή, η οποία θα ρέει τόσο γύρω από τον αγωγό όσο και στον αέρα που τον περιβάλλει. Αυτή η μαγνητική ροή θα ρέει σε κυκλική διεύθυνση ενενήντα μοιρών ως προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος. [1] Εικόνα 2-3 : Ροή ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου (ASM Metals Handbook, Vol 17) [1] 2.3 Περιγραφή της μεθόδου Μαγνητικής Διαρροής (Magnetic Flux Leakage- MFL) Η μέθοδος Μαγνητικής Διαρροής είναι μια μέθοδος εντοπισμού αστοχιών ή ασυνεχειών σε ένα υλικό, όπως είναι οι εγκοπές (pitting), οι περιφερειακές ρωγμές (circumferential cracks) και η απομείωση πάχους (wall loss). Χρησιμοποιείται σε σιδηρομαγνητικά υλικά, όπως ο ανθρακούχος χάλυβας, το νικέλιο και ο ανοξείδωτος χάλυβας. Γενικά, εφαρμόζεται σε έλεγχο εναλλακτών θερμότητας. Μια ομοιόμορφα μαγνητισμένη ράβδος αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό στοιχειωδών μαγνητών ευθυγραμμισμένων με την κατεύθυνση της μαγνήτισης. Μέσα στο υλικό ο κάθε πόλος αντισταθμίζεται από την παρουσία ενός γειτονικού πόλου με αντίθετη πολικότητα, με αποτέλεσμα οι εσωτερικοί πόλοι να μη συμβάλλουν στο μαγνητικό πεδίο εκτός του υλικού. Ωστόσο, στις επιφάνειες οι μαγνητικοί πόλοι δεν είναι αντισταθμισμένοι και έτσι παράγεται ένα μαγνητικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο της ράβδου. Αυτό απεικονίζεται στην Εικόνα 2-4 (α). [2] 16

18 Εικόνα 2-4 (α) : Δυναμικές γραμμές ενός μαγνήτη χωρίς ελαττώματα (ASM Metals Handbook, Vol 17) [2] Αντίθετα, αν στη ράβδο υπάρχει μια ρωγμή, όπως αυτή που απεικονίζεται στην Εικόνα 2-4 (β), οι πόλοι στην επιφάνεια αυτής της ρωγμής δεν είναι αντισταθμισμένοι και επομένως παράγεται ένα εντοπισμένο μαγνητικό πεδίο κοντά στη ρωγμή. Αυτό το πεδίο είναι το πεδίο διαρροής που σχετίζεται με τη ρωγμή. Αυτό το πεδίο εντοπίζεται από τις μαγνητικές κεφαλές της μεθόδου και ανάλογα με το είδος και την ένταση του σήματος καθορίζεται το είδος της ασυνέχειας και η σοβαρότητά της αντίστοιχα. [2] Εικόνα 2-4 (β) : Δυναμικές γραμμές ενός μαγνήτη με επιφανειακά ελαττώματα (ASM Metals Handbook, Vol 17) [2] 17

19 Πιο συγκεκριμένα, αν υποτεθεί ότι γίνεται έλεγχος σε κάποιο σωλήνα, η λειτουργία της μεθόδου είναι η εξής: Δύο ισχυροί μόνιμοι μαγνήτες σε συνδυασμό με ένα χαλύβδινο πυρήνα δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο προκαλεί κορεσμό στα τοιχώματα του σωλήνα. [3] Εικόνα 2-5 (Olympus NDT-Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] Ένα απόλυτο πηνίο (absolute coil, ABS) τυλίγεται γύρω από τον πυρήνα για τη μέτρηση της μεταβολής του μαγνητικού πεδίου, που προκαλείται από την απομείωση πάχους. [3] Εικόνα 2-6 : Απόλυτο πηνίο (Olympus NDT-Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] 18

20 Αν υπάρξει ένα μικρό ελάττωμα μεταξύ των δύο μαγνητών, το μαγνητικό πεδίο του σωλήνα διαταράσσεται με αποτέλεσμα να παρατηρείται μαγνητική «διαρροή» στο εσωτερικό του σωλήνα. Αυτή η διαρροή ανιχνεύεται από ένα διαφορικό πηνίο (differential coil, LEAD), το οποίο βρίσκεται μεταξύ των μαγνητών. [3] Εικόνα 2-7 : Διαφορικό πηνίο (Olympus NDT-Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] Τέλος, ένα πηνίο στο άκρο της κεφαλής (trailing coil, TRAIL) ανιχνεύει τον παραμένοντα μαγνητισμό που οφείλεται σε εσωτερικές εγκοπές. [3] Εικόνα 2-8 : Επιπορευόμενο πηνίο TRAIL (Olympus NDT-Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] 19

21 2.3.1 Αστοχίες εξωτερικής διαμέτρου (OD) Αν υπάρχει αστοχία εξωτερικής διαμέτρου στο σωλήνα, οι δυναμικές γραμμές «διαρρέουν» τόσο το εξωτερικό όσο και το εσωτερικό του σωλήνα. Επειδή όμως τα τοιχώματα του σωλήνα είναι ήδη πλήρη σε δυναμικές γραμμές, οι παραμορφώσεις των γραμμών ροής δεν Εικόνα 2-9 : Εξωτερική Αστοχία (Olympus NDT-Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] μπορούν να συμπεριληφθούν σε αυτά και έτσι δημιουργείται μαγνητική διαρροή στο εσωτερικό του σωλήνα. Το διαφορικό πηνίο (LEAD) μπορεί να ανιχνεύσει αυτή τη διαρροή επειδή βρίσκεται μεταξύ των μαγνητών, στο κέντρο του μαγνητικού κυκλώματος. Αντίθετα, το επιπορευόμενο πηνίο (TRAIL), που βρίσκεται έξω από το μαγνητικό κύκλωμα δεν μπορεί να ανιχνεύσει το ελάττωμα, αφού δεν υπάρχει εναπομένουσα μαγνητική διαρροή στο εσωτερικό του σωλήνα. [3] Αστοχίες εσωτερικής διαμέτρου (ID) Αν υπάρχει κάποιο ελάττωμα στην εσωτερική διάμετρο, οι γραμμές μαγνητικής ροής παραμορφώνονται στο εσωτερικό του σωλήνα. Σε αυτό το σημείο, το διαφορικό πηνίο (LEAD) μπορεί να ανιχνεύσει αυτή τη διαρροή. Αφού το μαγνητικό πεδίο προσπεράσει την αστοχία, παραμένει σε αυτήν κάποιος μαγνητισμός. Το επιπορευόμενο πηνίο (TRAIL) ανιχνεύει αυτόν τον εναπομείναντα μαγνητισμό και εκπέμπει ένα σήμα εξόδου. [3] Εικόνα 2-10 : Εσωτερική Αστοχία (Olympus NDT-Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] 20

22 2.3.3 Απομείωση Πάχους Η απομείωση πάχους ανιχνεύεται από το απόλυτο πηνίο (ABS), το οποίο βρίσκεται γύρω από τον πυρήνα του μαγνητικού κυκλώματος. Αυτό το πηνίο μετρά την ένταση του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από τους μαγνήτες. Αν υπάρξει κάποια ανωμαλία, όπως για Εικόνα 2-11 : Απομείωση Πάχους (Olympus NDT-Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] παράδειγμα διάβρωση (erosion), δεν υπάρχει μαγνητική διαρροή στο σωλήνα αλλά η ένταση του μαγνητικού πεδίου μειώνεται. Αυτή η διακύμανση της εντάσεως του μαγνητικού πεδίου ανιχνεύεται από το απόλυτο πηνίο. Τέλος, για να πάρουμε την κατάλληλη απόκριση σήματος, χρησιμοποιούνται ειδικά εξαρτήματα, όπως για παράδειγμα προσαρμογείς κεφαλών. [3] 2.4 Ηλεκτρομαγνητικά πηνία Ως πηνίο μπορεί να οριστεί ένα συρμάτινο τύλιγμα, στο εσωτερικό του οποίου αναπτύσσεται μαγνητικό πεδίο όταν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Η μαγνητική επαγωγή σε ένα πηνίο υπολογίζεται προσεγγιστικά από τη σχέση: Β = μ 0 μ r I n l Όπου μ 0 : η μαγνητική διαπερατότητα του κενού μ r : η σχετική μαγνητική διαπερατότητα του υλικού του πυρήνα I : το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει το πηνίο n : ο αριθμός των σπειρών του πηνίου l : το μήκος του πηνίου Το εσωτερικό των κεφαλών της μεθόδου της μαγνητικής διαρροής αποτελείται από ένα ή περισσότερα πηνία, τα οποία ανάλογα με το τύλιγμα που έχουν και την αλληλεπίδρασή τους καθορίζουν τη μαγνητική ροή και κατ επέκταση καθορίζουν το είδος της ασυνέχειας στο υπό εξέταση δοκίμιο. Ο πυρήνας των περισσότερων πηνίων είναι ο αέρας, ωστόσο υπάρχουν 21

23 και πυρήνες φερρίτη και αγώγιμης θωράκισης ώστε να υποβοηθείται η διαμόρφωση του πεδίου για ειδικές εφαρμογές. [4] Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι πηνίων για χρήση σε ΜΚΕ με δινορρεύματα: Τα πηνία τύπου «τηγανίτα» (probe coil ή pancake coil) : Έχουν σχεδιαστεί για τον έλεγχο της εξωτερικής επιφάνειας των υλικών και χρησιμοποιούνται σε πλάκες, συγκολλήσεις ή ακόμα και σωληνώσεις, εφόσον στερεωθούν σε ειδικές συσκευές που επιτρέπουν να περιστραφεί το πηνίο μέσα σε μια τρύπα βίδας ή στο σωλήνα (τεχνική περιστροφικής κεφαλής). Το συγκεκριμένο είδος πηνίου παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες για την επιφάνεια του υλικού, ωστόσο η χρήση του είναι χρονοβόρα. [4] Εικόνα 2-12 : Πηνίο τύπου «τηγανίτα» (The Science Behind Eddy Current and Remote Field Testing: For Condenser and Heat Exchanger Tubing, Christopher Van Name, Gary Fischer, James Kocher) [4] Τα πηνία τύπου μπομπίνας (bobbin coil) : Αυτός ο τύπος πηνίου χρησιμοποιείται σε σωλήνες εναλλακτών θερμότητας για έλεγχο της επιφάνειας εσωτερικής διαμέτρου (ID). Το συγκεκριμένο πηνίο εξετάζει καθώς έλκεται, ολόκληρη την περιφέρεια του σωλήνα, πράγμα που το καθιστά και τον πιο διαδομένο τύπο πηνίου στη βιομηχανία ελέγχου. [4] Εικόνα 2-13 : Πηνίο τύπου «μπομπίνας» (The Science Behind Eddy Current and Remote Field Testing: For Condenser and Heat Exchanger Tubing, Christopher Van Name, Gary Fischer, James Kocher) [4] 22

24 Το περιβάλλον πηνίο (encircling coil) : Χρησιμοποιείται στην επιθεώρηση στρογγυλών αντικειμένων όπως σωλήνες, σύρματα και ράβδοι από την επιφάνεια εξωτερικής διαμέτρου (OD). Όπως και ο προηγούμενος τύπος, το περιβάλλον πηνίο ελέγχει επίσης ολόκληρη την περιφέρεια του εξεταζόμενου αντικειμένου καθώς περνάει πάνω από το υπό έλεγχο δοκίμιο. Γενικά χρησιμοποιείται σε δραστηριότητες παρακολούθησης της παραγωγής. [4] Εικόνα 2-14 : Περιβάλλον πηνίο (The Science Behind Eddy Current and Remote Field Testing: For Condenser and Heat Exchanger Tubing, Christopher Van Name, Gary Fischer, James Kocher) [4] 2.5 Σύνθετη Αντίσταση Η σύνθετη αντίσταση Ζ 0 αποτελεί ένα μέγεθος που αναφέρεται σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος, δηλαδή κυκλώματα όπου η τάση και η ένταση δεν είναι συμφασικά, γι αυτό και μαθηματικά αναπαρίσταται σε μιγαδική μορφή με μέτρο και φάση. Γενικά, η σύνθετη αντίσταση αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος κάθε πηνίου και ορίζεται ως η διανυσματική πρόσθεση της ωμικής αντίστασης R και της επαγωγικής αντίδρασης X. Ζ 0 = R + jx Όπου Χ = ωl = 2πfL με f : συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος [Hz] L : αυτεπαγωγή [H] Μονάδα μέτρησης της σύνθετης αντίστασης είναι το Ωhm. 23

25 2.6 Παράγοντες που επηρεάζουν τη μέθοδο Μαγνητικής Διαρροής Μέγεθος ελαττωμάτων Υπάρχουν πολλές παράμετροι που επηρεάζουν τη μαγνητική επαγωγή γύρω από ένα ελάττωμα καθώς και το εύρος του σήματος. Κάποιες από αυτές είναι: Το πλάτος και το βάθος του ελαττώματος Η θέση του ελαττώματος Τα άκρα του ελαττώματος (απότομα ή βαθμιαία) Το επίπεδο κορεσμού στο τοίχωμα του σωλήνα Η μαγνητική διαπερατότητα του σωλήνα Η ταχύτητα έλξης Επειδή το πλάτος είναι η μόνη παράμετρος που μετριέται με την τεχνική MFL χωρίς πληροφορίες φάσης, η διαστασιολόγηση ενός ελαττώματος είναι πολύ δύσκολη. Γι αυτό η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται μόνο για ανίχνευση ατελειών και σπάνια για την ποιοτική διαστασιολόγηση τους. [3] Κορεσμός σε μαγνητικές γραμμές Για να επιτευχθεί μια μετρήσιμη μαγνητική διαρροή, το τοίχωμα του σωλήνα πρέπει να κορεστεί σε μαγνητικές γραμμές. Αν ο σωλήνας δεν είναι κορεσμένος, τα ελαττώματα εξωτερικής διαμέτρου καθίστανται δυσκολότερο να ανιχνευθούν, επειδή η παραμόρφωση του πεδίου μπορεί να περιέχεται στο τοίχωμα του σωλήνα χωρίς διαρροή στο εσωτερικό του σωλήνα. [3] 24

26 Εικόνα 2-15 : Απόλυτος κορεσμός (Olympus NDT- Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] Εικόνα 2-16 : Μερικός κορεσμός (Olympus NDT- Tube Testing Help Center) [3] Εικόνα 2-18 : Απουσία μαγνητικής διαρροής (Olympus NDT- Εικόνα 2-17 : Μαγνητική διαρροή σε εξωτερική αστοχία (Olympus Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] NDT-Tube Testing Help Center) [3] Για να επιτευχθεί ο κορεσμός, η διατομή του πυρήνα της κεφαλής (core section) πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη διατομή του τοιχώματος του σωλήνα (tube-cross section). Αυτό ισχύει όταν η μαγνητική διαπερατότητα του πυρήνα είναι ίση ή μεγαλύτερη από αυτή του σωλήνα. Αν ο πυρήνας είναι πολύ μικρός, τότε ο κορεσμός λαμβάνει χώρα στον ίδιο τον πυρήνα αντί στο σωλήνα. [3] Εικόνα 2-19 : Διατομή πυρήνα -τοιχώματος σωλήνα (Olympus NDT-Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] core section tube section 2 πd core 4 πod2 4 πid2 4 d core = OD 2 ID 2 Γενικά, οι σωλήνες μικρής διαμέτρου ή/και τα μεγάλα πάχη τοιχωμάτων μειώνουν το επίπεδο κορεσμού. [3] 25

27 Ταχύτητα έλξης (pulling speed) Τα πηνία που χρησιμοποιούνται στην κεφαλή για την ανίχνευση της μαγνητικής διαρροής παράγουν ένα σήμα εξόδου, το οποίο είναι ανάλογο με τον αριθμό σπειρών του πηνίου προς το ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής διαρροής. Για ένα συγκεκριμένο ελάττωμα, Εικόνα 2-20 : Διάγραμμα σήματος κεφαλής και σήματος συνδυασμένο με το χρόνο (Olympus NDT-Tube Testing Help Center v1.0r2) [3] η διακύμανση της διαρροής είναι σταθερή. Ωστόσο, η διακύμανση του χρόνου μειώνεται αν αυξηθεί η ταχύτητα έλξης της κεφαλής, παράγοντας ένα ισχυρότερο σήμα εξόδου. [3] Για να ελαχιστοποιηθεί η ευαισθησία στην ταχύτητα έλξης, το σήμα μπορεί να ολοκληρωθεί ως προς το χρόνο (integrated signal). Αυτή η ολοκλήρωση, παράγει ένα απόλυτο σήμα (coil output), το οποίο δεν είναι ευαίσθητο στην ταχύτητα έλξης ενώ παράλληλα είναι πολύ αποτελεσματικό στον εντοπισμό απομειώσεων πάχους. [3] 26

28 2.7 Οργανολογία για τη μέθοδο της μαγνητικής διαρροής Όργανα μέτρησης Για τη συγκεκριμένη διπλωματική το όργανο που χρησιμοποιήθηκε ήταν το Multiscan MS5800 της Olympus, το οποίο φαίνεται στην Εικόνα Εικόνα 2-21 : Όργανο μέτρησης Multiscan MS5800 (Olympus) [9] Το συγκεκριμένο όργανο μέτρησης, χωρίς τον προσαρμογέα, χρησιμοποιείται και σε άλλες τεχνικές ελέγχου, όπως τις Near Field Testing (NFT), Remote Field Testing (RFT), Internal Rotating Inspection System (IRIS) και Eddy Current Testing (ECT). [9] Επιπλέον, το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη των σημάτων κατά τον έλεγχο ήταν το Multiview, του οποίου μια επισκόπηση φαίνεται στην Εικόνα Εικόνα 2-22 : Λογισμικό Multiview [3] 27

29 Γενικά, το συγκεκριμένο λογισμικό χρησιμοποιείται για την απόκτηση και την ανάλυση δεδομένων του ρεύματος, του απομακρυσμένου πεδίου, της μαγνητικής διαρροής και των υπερηχητικών σημάτων IRIS. Σε συνδυασμό με το όργανο Multiscan MS5800 και το λογισμικό χαρτογράφησης Carto προσφέρει ένα ολοκληρωμένο πακέτο λύσεων για εφαρμογές επιθεώρησης σωλήνων εναλλακτών θερμότητας. [3] Πρότυπα δοκίμια βαθμονόμησης Προκειμένου να γίνει ο σωστός και ακριβής έλεγχος οποιουδήποτε υλικού, κατασκευάζονται κάποια πρότυπα δοκίμια, με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά (ελάττωμα, υλικό, χρήση και διάταξη), βάσει των οποίων γίνονται οι μετρήσεις. Αυτά τα πρότυπα είναι γενικώς αποδεκτά και βοηθούν στην εξαγωγή συμπερασμάτων, όσον αφορά το είδος του ελαττώματος ή/ και το βάθος του, όπως για παράδειγμα σε περιπτώσεις οπών ή απομειώσεων πάχους. Στη συγκεκριμένη διπλωματική, λόγω απουσίας προτύπου βάσει προδιαγραφών, το πρότυπο δοκίμιο δημιουργήθηκε με βάση τις οδηγίες της Olympus, ως ειδήμων εταιρία στο αντικείμενο, ώστε να μπορούν να γίνουν οι κατάλληλες μετρήσεις χρησιμοποιώντας το όργανο Multiscan MS5800. Αυτό το δοκίμιο φαίνεται στην Εικόνα Εικόνα 2-23 : Πρότυπο δοκίμιο (Olympus NDT Tube Testing Help Center) [3] 28

30 Συγκεκριμένα τα A, B και C είναι απομειώσεις πάχους βάθους 60%, 40% και 20% αντίστοιχα και πλάτους 12,5mm, το D, είναι οπή βάθους 100%, ενώ τα E,F,G είναι οπές επιπέδου πυθμένα (flat bottoms) βάθους 80%, 60%, 40% αντίστοιχα. Και τα δυο τελευταία είδη σφάλματος έχουν διάμετρο OD/6. Επίσης, στο πλαίσιο της διπλωματικής προσθέσαμε και ένα επιπλέον flat bottom βάθους 20% και ίδιας διαμέτρου με τα προηγούμενα, ενώ δεν κατέστη δυνατό να φτιάξουμε την τελευταία εσωτερική απομείωση πάχους (Η), λόγω απουσίας κατάλληλου μηχανολογικού εξοπλισμού. Παρακάτω, η Εικόνα 2-24 παρουσιάζει τη διαδικασία κατά την οποία δημιουργήθηκε το πρότυπο αυτό δοκίμιο. Εικόνα 2-24 : Κατασκευή πρότυπου δοκιμίου Πέρα από την κατασκευή του πρότυπου δοκιμίου, για να μπορέσει να ληφθεί ένα ορθό σήμα από κάθε ελάττωμα, χρειάζεται να βαθμονομηθεί και το αντίστοιχο λογισμικό Multiview. Συγκεκριμένα στη μέθοδο της Μαγνητικής Διαρροής, πέρα από το όργανο Multiscan MS5800 χρησιμοποιείται και ένας προσαρμογέας σήματος, που στοχεύει στην πρότυπη βαθμονόμηση του απόλυτου σήματος. Αυτός φαίνεται στην Εικόνα Πιο συγκεκριμένα, ο εν λόγω προσαρμογέας τοποθετείται μεταξύ της κεφαλής και του οργάνου MS5800, προκειμένου να ολοκληρώσει την τάση του απόλυτου πηνίου. Η αρχή της ολοκλήρωσης είναι αρκετά απλή και δεν απαιτεί σύνθετα ηλεκτρονικά. Ωστόσο, το σήμα 29

31 εξόδου τείνει να αποκλίνει και για να εξαλειφθεί αυτή η απόκλιση υπάρχουν δυο κουμπιά στον προσαρμογέα: το κουμπί επαναφοράς (RESET) και το κουμπί ρύθμισης μετατόπισης (DRIFT ADJUST). Το κουμπί επαναφοράς μηδενίζει την έξοδο του σήματος. Συνίσταται, να γίνεται Εικόνα 2-25 : Wall loss adaptor TF-ADP-001 (Olympus NDT Tube Testing Help Center) [3] επαναφορά μετά από κάθε 10 σωλήνες. Βέβαια, χρειάζεται να επαληθεύεται συχνά και η μετατόπιση, καθώς αυτή η ρύθμιση μπορεί να επηρεαστεί από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και βαθμιαία να αλλάξει με το χρόνο. Στην Εικόνα 2-26 φαίνεται πώς γίνεται η ρύθμιση του σήματος μετατόπισης. Εικόνα 2-26 : Ρύθμιση σήματος μετατόπισης (Olympus NDT Tube Testing Help Center) [3] 30

32 Για να γίνει αυτή η ρύθμιση, τοποθετείται η κεφαλή μέσα στο πρότυπο δοκίμιο. Στη συνέχεια, κρατείται πατημένο συνεχόμενα το κουμπί επαναφοράς στον προσαρμογέα και επιλέγεται το εικονίδιο αντιστάθμισης (balance) στο Multiview. Ρυθμίζεται η κλίμακα ABS σε 0,10V και ξεκινάει η μέτρηση. Ακολούθως, γυρίζουμε τη ροδέλα μετατόπισης στον προσαρμογέα για να μειωθεί η μετατόπιση δεδομένων στο διάγραμμα και σε περίπτωση που χρειαστεί, για παράδειγμα όταν το σήμα δε φαίνεται στο διάγραμμα, μπορούμε να ξαναπατήσουμε το κουμπί επαναφοράς για να επανατοποθετηθούν τα δεδομένα. Τέλος, μόλις τα δεδομένα είναι σταθερά, δηλαδή σε ευθεία γραμμή, κρατάμε πατημένο το κουμπί επαναφοράς και επιλέγουμε το εικονίδιο αντιστάθμισης στο Multiview. [3] Κεφαλές στη μέθοδο της Μαγνητικής Διαρροής Οι κεφαλές που χρησιμοποιούνται στις μεθόδους ελέγχου όπως αυτή της μαγνητικής διαρροής, αποτελούνται από πηνία, τα οποία τροφοδοτούνται από εναλλασσόμενο ρεύμα. Όταν η κεφαλή βρεθεί κοντά σε ένα ελάττωμα επάγει ρεύμα, δημιουργώντας ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το οποίο επιδρά με τη σειρά του στα πηνία. Έτσι, παρατηρώντας αλλαγές στην τάση (ή σύνθετη αντίσταση) του πηνίου μπορούμε να εξάγουμε συμπεράσματα όσον αφορά την κατάσταση του δοκιμίου. Φυσικά, για να είναι αξιόπιστος ο έλεγχος είναι αναγκαίο να επιλεχθεί η κατάλληλη κεφαλή, λαμβάνοντας υπόψη κάθε φορά τους παράγοντες που επηρεάζουν τον έλεγχο με την εκάστοτε μέθοδο ελέγχου. Μια χαρακτηριστική κεφαλή μαγνητικής διαρροής είναι αυτή που παρουσιάζεται στην Εικόνα 2-27 και είναι ένας αισθητήρας εσωτερικής διαμέτρου. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλα είδη αισθητήρων, όπως αυτά της εξωτερικής διαμέτρου (Εικόνα 2-28) ή ακόμα και αισθητήρες επιφάνειας. Εικόνα 2-27 : Αισθητήρας εσωτερικής διαμέτρου (Olympus) [7] 31

33 Εικόνα 2-28 : Αισθητήρας εξωτερικής διαμέτρου 32

34 3. Προσομοίωση της Μεθόδου Μαγνητικής Διαρροής 3.1. Προσομοίωση μαγνητικού πεδίου με μαθηματικά μοντέλα Στο πλαίσιο της εν λόγω διπλωματικής έγινε ανάλυση της μεθόδου της μαγνητικής διαρροής με τη βοήθεια μαθηματικών μοντέλων, ώστε να πάρουμε μια πρώτη πληροφορία όσον αφορά τη συμπεριφορά του μαγνητικού πεδίου. Για να επιτευχθεί αυτό έγινε έρευνα σε μεγάλο βιβλιογραφικό κομμάτι και δόθηκε ιδιαίτερη βάση στο άρθρο των C. Edwards και S. B. Palmer, «The magnetic leakage field of surface-breaking cracks». Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες που αντλήσαμε από το εν λόγω άρθρο, παραστήσαμε γραφικά την ένταση του μαγνητικού πεδίου με τη βοήθεια του προγράμματος Matlab R2015a. Επιλέχθηκε μια απλή γεωμετρία στη ρωγμή, όπως είναι αυτή μιας επιφανειακής ορθογώνιας ρωγμής με θεωρητικά σταθερή πολικότητα, όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα 3-1. Οι εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη ήταν οι εξής : H y = σ s 4π (ln [(x + a)2 + (y + b) 2 ][(x a) 2 + y 2 ] [(x + a) 2 + y 2 ][(x a) 2 + (y + b) 2 ] Όπου σ s = H o Εικόνα 3-1 : Ορθογώνια ρωγμή (The magnetic leakage field of surface-breaking cracks, C. Edwards, S. B. Palmer) [5] + 2ln {[(x + a)2 + y 2 + c 2 ] c} {[(x a) 2 + (y + b) 2 + c 2 ] c} {[(x + a) 2 + (y + b) 2 + c 2 ] c} {[(x a) 2 + y 2 + c 2 ] c} πn(μ 1) tan 1 n(n+μ) n = b, ο λόγος των αξόνων α, b a είναι η πολικότητα και H o : ένα σταθερό ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο εφαρμοσμένο στον άξονα a 33

35 μ η μαγνητική διαπερατότητα Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι συγκεκριμένες εξισώσεις διορθώθηκαν, καθώς διαπιστώθηκαν τυπογραφικά λάθη στις αρχικές εξισώσεις του άρθρου. Θεωρώντας a = 1, b = 100, y = 1 τρέξαμε τον παρακάτω κώδικα στο Matlab. Εικόνα 3-2 : Κώδικας Matlab για γραφική απεικόνιση της έντασης του μαγνητικού πεδίου 34

36 Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα που λάβαμε στο Matlab με αυτά που παρατίθενται στο άρθρο, διαπιστώθηκε διαφορά ανάμεσα στα αποτελέσματα του δημοσιευμένου άρθρου και σε αυτά που λάβαμε εμείς. Τα αποτελέσματα, δηλαδή η σχέση ανάμεσα στην ένταση του Εικόνα 3-3 : Διαγραμματική απεικόνιση έντασης μαγνητικού πεδίου στο Matlab Εικόνα 3-4 : Διαγραμματική απεικόνιση έντασης μαγνητικού πεδίου (The magnetic leakage field of surface-breaking cracks, C. Edwards, S. B. Palmer) [5] 35

37 μαγνητικού πεδίου και της απόστασης από το κέντρο της ρωγμής, παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες. Και στις δυο περιπτώσεις, θεωρήθηκαν οι ίδιες οριακές συνθήκες και τα αποτελέσματα που αναμένονταν ήταν τέτοια ώστε το c να κυμαίνεται από n μέχρι 10n. Έτσι, αυτό που παρατηρείται από τα αποτελέσματα του άρθρου είναι ότι για τις διάφορες τιμές του c διαμορφώνονται και διαφορετικές καμπύλες όσον αφορά τη διαγραμματική απεικόνιση της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Ωστόσο, στη δική μας περίπτωση οι καμπύλες αυτές ταυτίζονται, με αποτέλεσμα να μη δίνονται οι αντίστοιχες διαφορετικές τιμές στην ένταση του μαγνητικού πεδίου. Η αδυναμία επεξήγησης αυτής της ιδιαιτερότητας αλλά και η απουσία άλλων αναλυτικών λύσεων στη βιβλιογραφία μας οδήγησε στην προσομοίωση του μαγνητικού πεδίου με τη χρήση του προγράμματος COMSOL Multiphysics Προσομοίωση με χρήση της Μεθόδου Πεπερασμένων Στοιχείων (FEM Theory) Στην επιστήμη και τη μηχανική υπάρχουν πολλά φυσικά φαινόμενα που μπορούν να περιγραφούν με τη χρήση μερικών διαφορικών εξισώσεων. Ωστόσο, η λύση αυτών των εξισώσεων με αναλυτικές μεθόδους είναι σχεδόν αδύνατη, ειδικά όταν πρόκειται για γεωμετρίες ακανόνιστων σχημάτων. Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων είναι μια αριθμητική προσέγγιση, βάσει της οποίας μπορούν να λυθούν αυτές οι διαφορικές εξισώσεις. Από την πλευρά της μηχανικής, η συγκεκριμένη μέθοδος χρησιμοποιείται για την επίλυση προβλημάτων όπως είναι η ανάλυση τάσεων, η μεταφορά θερμότητας, η ροή ρευστών και ο ηλεκτρομαγνητισμός με υπολογιστική προσομοίωση. [6] Πιο συγκεκριμένα, η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων βασίζεται στην προσομοίωση του υπό εξέταση πραγματικού σώματος με διαίρεση του σε πεπερασμένα στοιχεία, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με κόμβους. Το σύνολο των διαιρεμένων στοιχείων καλείται πλέγμα και η διαδικασία κατασκευής του, δημιουργία πλέγματος. [6] Εικόνα 3-3 : Απεικόνιση κόμβων και πλέγματος [6] 36

38 Η μέθοδος, λοιπόν των πεπερασμένων στοιχείων, παρέχει μια συστηματική μεθοδολογία βάσει της οποίας η λύση του προβλήματος μπορεί να βρεθεί με τη χρήση κάποιου προγράμματος. Για γραμμικά προβλήματα, η λύση καθορίζεται από τη λύση ενός συστήματος γραμμικών εξισώσεων, στις οποίες ο αριθμός των αγνώστων είναι ίσος με τον αριθμό των κόμβων. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των στοιχείων (άρα και κόμβων) στα οποία έχει διαιρεθεί το υπό εξέταση αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερη ακρίβεια θα έχει και η λύση του προβλήματος, ωστόσο την ίδια στιγμή αυξάνεται και ο χρόνος χρήσης του ηλεκτρονικού προγράμματος άρα κατ επέκταση και το κόστος. Τελικά, τα αποτελέσματα παρουσιάζονται με τη μορφή διαγραμμάτων και στη συνέχεια χρησιμοποιούνται από τους μηχανικούς στις διάφορες σχεδιαστικές διεργασίες. Παρόμοια είναι και η προσέγγιση σε μη γραμμικά προβλήματα. [6] Προσομοίωση μαγνητικού πεδίου με το COMSOL Multiphysics Για την προσομοίωση του μαγνητικού πεδίου γύρω από μια αστοχία χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα COMSOL Multiphysics 5.3, το οποίο βασίζεται στη θεωρία των πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της εν λόγω προσομοίωσης είναι να διαπιστωθεί η συμπεριφορά του μαγνητικού πεδίου γύρω από μια αστοχία, δηλαδή γύρω από μια εγκοπή (εσωτερική ή εξωτερική) ή/και γύρω από μια οπή. Η αρχική επιφάνεια εργασίας του COMSOL παρουσιάζεται στην Εικόνα 3-6 και το είδος του μοντέλου επιλέγεται, στη συγκεκριμένη εργασία, από το Model Wizard. Εικόνα 3-4 : Αρχική επιφάνεια εργασίας COMSOL Αρχικά, ξεκινώντας την προσομοίωση απαιτείται να επιλέξουμε αν το υπό μελέτη σύστημα είναι μονοδιάστατο, δισδιάστατο ή τρισδιάστατο, όπως επίσης και τα φυσικά χαρακτηριστικά που διέπουν το επιλεγόμενο σύστημα και το περιβάλλον του. Πιο συγκεκριμένα στην παρούσα περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε ένα δισδιάστατο αξονοσυμμετρικό μοντέλο (2-D Axisymmetric) (Εικόνα 3-7), βασιζόμενο στον ηλεκτρομαγνητικό πακέτο 37

39 (AC/DC module) (Εικόνα 3-8) και ειδικότερα στην μαγνητική μέθοδο (Magnetic Fields) (Εικόνα 3-9). Εικόνα 3-7 : Επιλεγόμενα Μοντέλα Εικόνα 3-8 : Ηλεκτρομαγνητικό πακέτο Εικόνα 3-9 : Μαγνητική μέθοδος 38

40 Αφού επιλέξουμε το μοντέλο με το οποίο θα εργαστούμε προσδιορίζουμε στη συνέχεια τις μεταβλητές που θα λάβουν μέρος στην προσομοίωση, όπως φαίνεται στην Εικόνα Εικόνα 3-10 : Παράμετροι προσομοίωσης Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζεται η εξωτερική και εσωτερική διάμετρος του μαγνήτη (R out και R in αντίστοιχα), το ύψος του μαγνήτη (ht), η εξωτερική και εσωτερική διάμετρος του σωλήνα (Rt και rit αντίστοιχα) και το ύψος του σωλήνα (lt). Το m είναι το βήμα με το οποίο ο μαγνήτης κινείται στην προσομοίωση και τα dr,dz είναι οι r και z συνιστώσες (διαστάσεις) του ελαττώματος. Στη συνέχεια σχεδιάζουμε τα χαρακτηριστικά στοιχεία του συστήματος που στη συγκεκριμένη περίπτωση αποτελούνται από ένα σωλήνα, ένα μαγνήτη, την εκάστοτε αστοχία καθώς, τον αέρα που περιβάλλει το σύστημα καθώς και από δύο ανιχνευτές σήματος (Hall και Trail detectors). Αφού γίνει αυτό, επιλέγονται και τα υλικά (materials) από τα οποία θα είναι κατασκευασμένο το κάθε στοιχείο του συστήματος. Ενδεικτικά ο σωλήνας αποτελείται από ένα οποιοδήποτε σιδηρομαγνητικό υλικό, ενώ χρησιμοποιήθηκαν και τα στοιχεία ενός μαγνήτη νεοδυμίου. Αυτά τα χαρακτηριστικά στοιχεία παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες. Εικόνα 3-11 : Σωλήνας Εικόνα 3-12 : Μαγνήτης 39

41 Εικόνα 3-10 : Χαρακτηριστικά μαγνήτη Βασικό για το μαγνήτη είναι να ορίσουμε εκ των προτέρων τη μαγνητική του δύναμη όπως φαίνεται και στην Εικόνα Εικόνα 3-13 : Hall και Trail detectors Εικόνα 3-14 : Χαρακτηριστικά μαγνήτη Λόγω του ότι προσομοιώσαμε την κίνηση του μαγνήτη, χρησιμοποιήσαμε την επιλογή του Moving Mesh που δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας καινούριου πλέγματος για κάθε θέση του μαγνήτη. Αυτό απεικονίζεται στην Εικόνα Εικόνα 3-15 : Moving Mesh 40

42 Ακολούθως, επιλέχτηκε το κατάλληλο πλέγμα (mesh) για όσο το δυνατόν καλύτερα αποτελέσματα. Η επιλογή έγινε με βάση την πυκνότητα του πλέγματος και στη συγκεκριμένη περίπτωση το πλέγμα που δημιουργήθηκε αποτελείται από στοιχεία. Το πλέγμα αυτό παρουσιάζεται στην Εικόνα Γενικά, η προσομοίωση κάθε αστοχίας διήρκησε περίπου 3 λεπτά. Εικόνα 3-16 : Πλέγμα προσομοίωσης Το τελικό βήμα επίλυσης είναι το Study, το οποίο αποτελείται από χαρακτηριστικά στοιχεία που διέπουν το πρόβλημα, όπως φαίνεται και στην Εικόνα Πιο συγκεκριμένα, το parametric sweep αναφέρεται στην κίνηση του μαγνήτη στη διάρκεια της προσομοίωσης, ενώ το stationary αποτελεί βήμα για την προσομοίωση επίλυσης του μαγνητικού πεδίου. Εικόνα 3-17 : Study Τελικά, τα αποτελέσματα που ελήφθησαν από την εν λόγω προσομοίωση παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες. Συγκεκριμένα κάθε εικόνα δείχνει τη ροή του μαγνητικού πεδίου μακριά (15mm), κοντά (6mm) και πάνω (0mm) από το κάθε ελάττωμα (εσωτερική ή εξωτερική αστοχία, οπή). Η Εικόνα 3-18 δείχνει την πυκνότητα του μαγνητικού πεδίου, αν ο σωλήνας δεν είχε κάποια αστοχία. Αυτό που παρατηρούμε σε όλες τις εικόνες είναι ότι όσο πλησιάζουμε στην αστοχία έχουμε διαφοροποίηση του μαγνητικού πεδίου μέσα στο σωλήνα. Αυτή η διαφοροποίηση εξαρτάται από το είδος της ασυνέχειας και γίνεται περισσότερο αντιληπτή αν παρατηρήσουμε τα διαγράμματα του σήματος της έντασης του μαγνητικού πεδίου που λάβαμε από τον αισθητήρα Hall. 41

43 Εικόνα 3-18 : Πυκνότητα μαγνητικού πεδίου σε σωλήνα χωρίς ασυνέχεια Εικόνα 3-19 : Απεικόνιση μαγνητικού πεδίου με το μαγνήτη να βρίσκεται 15mm μακριά από την εξωτερική αστοχία, την εσωτερική αστοχία και την οπή αντίστοιχα 42

44 Εικόνα 3-20 : Απεικόνιση μαγνητικού πεδίου με το μαγνήτη να βρίσκεται 6mm μακριά από την εξωτερική αστοχία, την εσωτερική αστοχία και την οπή αντίστοιχα Εικόνα 3-21 : Απεικόνιση μαγνητικού πεδίου με το μαγνήτη να βρίσκεται πάνω από την εξωτερική αστοχία, την εσωτερική αστοχία και την οπή αντίστοιχα Συγκριτικά με την κατανομή της πυκνότητας σε σωλήνα χωρίς αστοχία, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι όσο μακρύτερα βρισκόμαστε από την αστοχία τόσο το μαγνητικό πεδίο παραμένει αμετάβλητο. Όσο πλησιάζουμε παρατηρούμε ότι υπάρχει εντοπισμένο μαγνητικό πεδίο γύρω από την περιοχή της ασυνέχειας και όταν βρισκόμαστε πάνω από την αστοχία το μαγνητικό πεδίο διακόπτεται, έχοντας παράλληλα αυξημένη πυκνότητα γύρω από κάθε ασυνέχεια. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα διαγράμματα του σήματος της έντασης του μαγνητικού πεδίου για την κάθε ασυνέχεια, όπως ελήφθησαν από τους ανιχνευτές Hall και Trail. Τα διαγράμματα που ελήφθησαν από τον ανιχνευτή Trail αφορούν τον εναπομείναντα μαγνητισμό που υπάρχει στην αστοχία, μετά την απομάκρυνση του μαγνήτη και κατ επέκταση του μαγνητικού πεδίου από την εγγύς σε αυτήν περιοχή. Παρόμοια διαγράμματα θα παίρναμε 43

45 αν χρησιμοποιούσαμε και κάποιο άλλο όργανο μέτρησης, το οποίο όμως θα μας έδινε τα αποτελέσματα σε Volt. Αυτό συμβαίνει διότι κάθε αισθητήρας έχει ένα συγκεκριμένο λόγο μετατροπής μονάδων μαγνητικού πεδίου σε Volt. Έτσι, αν γνωρίζουμε από τον κατασκευαστή αυτόν το λόγο μετατροπής, μπορούμε και εμείς να εξάγουμε τα αποτελέσματά μας σε Volt. Εικόνα 3-22 : Ένταση μαγνητικού πεδίου εξωτερικής αστοχίας με ανιχνευτή Hall Εικόνα 3-23 : Ένταση μαγνητικού πεδίου εσωτερικής αστοχίας με ανιχνευτή Hall 44

46 Εικόνα 3-24 : Ένταση μαγνητικού πεδίου οπής με ανιχνευτή Hall Εικόνα 3-25 : Ένταση μαγνητικού πεδίου εξωτερικής αστοχίας με ανιχνευτή Trail 45

47 Εικόνα 3-26 : Ένταση μαγνητικού πεδίου εσωτερικής αστοχίας με ανιχνευτή Trail Εικόνα 3-27 : Ένταση μαγνητικού πεδίου οπής με ανιχνευτή Trail 46

48 4. Πειραματικές μετρήσεις Σκοπός των πειραματικών μετρήσεων που έγιναν, είναι η πρακτική ανάλυση της μεθόδου της Μαγνητικής Διαρροής, μέσω της λήψης σημάτων από τους σωλήνες ενός εκπαιδευτικού εναλλάκτη θερμότητας του εργαστηριακού εξοπλισμού. Οι σωλήνες αυτοί είναι κατασκευασμένοι από σιδηρομαγνητικό υλικό, ενώ η κεφαλή που χρησιμοποιήθηκε είναι η TFB 132 N20 της εταιρείας Olympus. Το όργανο που χρησιμοποιήθηκε ήταν το Multiscan MS5800 και το λογισμικό ήταν το Multiview. Αρχικά, συνδέσαμε την κεφαλή με το όργανο στην κατάλληλη υποδοχή για την MFL και ρυθμίσαμε τις κατάλληλες παραμέτρους που απαιτεί το πρόγραμμα ώστε να λειτουργήσει σωστά. Πιο συγκεκριμένα ως πρώτο βήμα επιλέξαμε την κατάλληλη τεχνολογία (Magnetic Flux Leakage) και στη συνέχεια διαλέξαμε την κεφαλή (Probe). Τα διάφορα κανάλια (απόλυτο (ABS), διαφορικό (DIF), επιπορευόμενο (TRAIL)) ήταν αυτόματα επιλεγμένα από το πρόγραμμα. Ακολούθως επιλέξαμε τις αστοχίες που θα διαβάζει η κεφαλή στο πρότυπο δοκίμιο βαθμονόμησης, συγκριτικά με τις οποίες θα γίνουν και όλες οι ακόλουθες μετρήσεις στον έναλλάκτη. Τέλος, ορίσαμε τι είδους αστοχία μπορεί να διαβάζει το κάθε κανάλι, δηλαδή το απόλυτο τις απομειώσεις πάχους (WLL) και το διαφορικό τις οπές και τις οπές επιπέδου πυθμένα (PIT) και αυτόματα τέθηκαν από το πρόγραμμα τα volt που αντιστοιχούν στις διάφορες αστοχίες. Τα βήματα της διαδικασίας βαθμονόμησης του προγράμματος παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες. Έλεγχος MFL Εικόνα 4-1 : Μηχάνημα Multiscan MS5800 (εργαστηριακός εξοπλισμός) 47

49 Εικόνα 4-2 : Βήμα 1 ο - Επιλογή τεχνολογίας Κεφαλή Εικόνα 4-3 : Βήμα 2 ο Επιλογή κεφαλής 48

50 Ορισμός αστοχιών καλίμπρας Εικόνα 4-4 : Βήμα 3 ο Επιλογή αστοχιών πρότυπου δοκιμίου Διαφορικό και απόλυτο κανάλι Εικόνα 4-5 : Βήμα 4 ο Ορισμός αστοχιών για διαφορικό και απόλυτο πηνίο 49

51 Εικόνα 4-6 :Βήμα 5 ο Ορισμός volt Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η κεφαλή που χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο ήταν η TFB 132 N20 της εταιρείας Olympus. Η συγκεκριμένη κεφαλή προσφέρει τη δυνατότητα ελέγχου με υψηλό μαγνητικό κορεσμό, ενώ παράλληλα αντιστέκεται στη φθορά χάρη στους μεταβλητούς δακτυλίους που διαθέτει. Είναι ιδανική για ανίχνευση ατελειών σε σωλήνες εναλλακτών θερμότητας με πτερύγια αλουμινίου και δίνει εξαιρετικά αποτελέσματα στην ανίχνευση περιφερειακών ρωγμών. Στην ονομασία της κεφαλής τα τρία πρώτα γράμματα (TFB) υποδηλώνουν τον τύπο της κεφαλής, δηλαδή γίνεται φανερό σε ποια μέθοδο ενδείκνυται να χρησιμοποιηθεί, τα επόμενα τρία νούμερα (132) φανερώνουν τη διάμετρο της κεφαλής σε δέκατα του χιλιοστού και οι επόμενοι τρεις χαρακτήρες (Ν20) το μήκος του καλωδίου με το οποίο είναι συνδεδεμένη η κεφαλή σε m. Γενικά, θα πρέπει να είμαστε προσεκτικοί στην επιλογή του τύπου της κεφαλής, καθώς στην περίπτωση εξωτερικών ελαττωμάτων μια κεφαλή με μικρή διάμετρο θα ήταν λιγότερο ευαίσθητη στην ανίχνευσή τους, μιας και το τμήμα του πυρήνα της κεφαλής θα ήταν πολύ μικρότερο από εκείνο του σωλήνα. [8] Εικόνα 4-7 : Κεφαλή MFL και κεφαλή MFL με αφαιρεμένους τους δακτυλίους (Olympus) [8] 50

52 Εικόνα 4-8 : Κεφαλή TFB 132 N20 του εργαστηριακού εξοπλισμού συνδεδεμένη με τον προσαρμογέα της μεθόδου MFL Το πρότυπο δοκίμιο βαθμονόμησης που χρησιμοποιήθηκε, κατασκευάστηκε στο εργαστήριο ΜΚΕ του τμήματος, χωρίς όμως να κατασκευαστούν τα εσωτερικά σφάλματα λόγω απουσίας τους κατάλληλου μηχανολογικού εξοπλισμού. Οι σωλήνες του εναλλάκτη θερμότητας που χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη σημάτων έχουν εσωτερική διάμετρο 14,5mm και εξωτερική αντίστοιχα 18mm. Τα σφάλματα που εντοπίστηκαν ποικίλουν στον κάθε σωλήνα, τόσο στο είδος του σφάλματος όσο και στο μέγεθος τους. Ενδεικτικά παρουσιάζονται παρακάτω μερικοί σωλήνες με διαφορετικά σφάλματα. Εικόνα 4-9 : Πρότυπο δοκίμιο βαθμονόμησης (εργαστηριακός εξοπλισμός) 51

53 Εικόνα 4-10 : Χρησιμοποιούμενος εκπαιδευτικός εναλλάκτης θερμότητας (εργαστηριακός εξοπλισμός) Εικόνα 4-11 : Ενδεικτικοί σωλήνες εναλλάκτη με σφάλματα 52

54 Τα αποτελέσματα που λάβαμε ήταν σήματα τα οποία αντιστοιχούν σε κάποιο είδος αστοχίας, χωρίς βέβαια να έχουμε τη δυνατότητα διαστασιολόγησης του σφάλματος μέσω αυτών των σημάτων. Αφού λάβαμε τα σήματα στο Multiview, τα παραστήσαμε γραφικά στο Matlab. Ενδεικτικά κάποιες μετρήσεις από αυτές παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες και γίνεται σύγκριση με τα αντίστοιχα σήματα κεφαλής απομακρυσμένων δινορρευμάτων RFT, τα οποία ήταν αποτέλεσμα έρευνας προηγούμενης διπλωματικής. Σωλήνας CS12145C Εικόνα 4-12 : Μέθοδος MFL- Απόλυτο Κανάλι Εικόνα 4-13 : Μέθοδος RFT- Απόλυτο Κανάλι 53

55 Εικόνα 4-14 : Μέθοδος MFL- Διαφορικό Κανάλι Εικόνα 4-15 : Μέθοδος RFT- Διαφορικό Κανάλι Αυτό που παρατηρούμε στα σήματα από τον εν λόγω σωλήνα είναι ότι και οι δύο απομειώσεις πάχους που υπάρχουν σε αυτόν, μπορούν να ανιχνευθούν εξίσου καθαρά και από τις δύο μεθόδους. Βέβαια, επειδή έχουμε απομείωση πάχους τα σήματα στο απόλυτο κανάλι είναι πιο ξεκάθαρα ως προς το είδος της αστοχίας από ότι στο διαφορικό. Σωλήνας CS18145B 54

56 Εικόνα 4-16 : Μέθοδος MFL- Απόλυτο Κανάλι Εικόνα 4-17 : Μέθοδος RFT- Απόλυτο Κανάλι Εικόνα 4-18 : Μέθοδος MFL- Διαφορικό Κανάλι Εικόνα 4-19 : Μέθοδος RFT- Διαφορικό Κανάλι Στο συγκεκριμένο σωλήνα τα σήματα στο απόλυτο κανάλι της μεθόδου MFL είναι πολύ πιο ξεκάθαρα από ότι τα αντίστοιχα της μεθόδου RFT. Όμως, επειδή στην προκειμένη περίπτωση έχουμε οπές και οπές επιπέδου πυθμένα, το σήμα του διαφορικού καναλιού είναι αυτό που έχει τη μεγαλύτερη βαρύτητα και είναι εξίσου ξεκάθαρο και στις δυο μεθόδους. 55

57 Σωλήνας CS Εικόνα 4-20 : Μέθοδος MFL- Απόλυτο Κανάλι Εικόνα 4-21 : Μέθοδος RFT- Απόλυτο Κανάλι Εικόνα 4-22 : Μέθοδος MFL- Διαφορικό Κανάλι Εικόνα 4-23 : Μέθοδος RFT- Διαφορικό Κανάλι 56

58 Στον εν λόγω σωλήνα έχουμε μια απομείωση πάχους, η οποία αναπαρίσταται καλύτερα από το σήμα στο απόλυτο κανάλι και στη συγκεκριμένη περίπτωση καλύτερη είναι η απεικόνιση του σήματος από τη μέθοδο MFL. Όσον αφορά το διαφορικό σήμα, παρόλο που δεν προτιμάται για την ανίχνευση τέτοιων ασυνεχειών, φαίνεται ότι το σήμα της μεθόδου MFL είναι πιο ξεκάθαρο από αυτό της μεθόδου RFT. Σωλήνας CS18145G Εικόνα 4-24 : Μέθοδος MFL- Απόλυτο Κανάλι Εικόνα 4-25 : Μέθοδος RFT- Απόλυτο Κανάλι 57

59 Εικόνα 4-26 : Μέθοδος MFL- Διαφορικό Κανάλι Εικόνα 4-3 : Μέθοδος RFT- Διαφορικό Κανάλι Στον παρόντα σωλήνα το σφάλμα που διαπιστώσαμε ήταν 4 οπές. Το σήμα για το χαρακτηρισμό της αστοχίας είναι πιο ευδιάκριτο στο διαφορικό κανάλι, με τη μέθοδο RFT να δίνει πιο ξεκάθαρα αποτελέσματα. Αντίθετα, το απόλυτο κανάλι στη μέθοδο MFL είναι πιο κατανοητό, ωστόσο δεν είναι το απόλυτα κατάλληλο σήμα για το χαρακτηρισμό σφαλμάτων οπών. 58