ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΕΦΑΛΩΝ ΔΙΝΟΡΡΕΥΜΑΤΩΝ ΣΕ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΥΣ ΕΛΕΓΧΟΥΣ ΣΩΛΗΝΩΝ» Επιμέλεια: Μουρουζίδου Αθηνά Επιβλέπων: Θεοδουλίδης Θεόδωρος Καθηγητής Π.Δ.Μ ΚΟΖΑΝΗ (ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ, 2017)
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η διπλωματική εργασία με τίτλο Μελέτη και κατασκευή κεφαλών δινορρευμάτων σε μη καταστροφικούς ελέγχους σωλήνων είναι αποτέλεσμα έντονης ενασχόλησης γύρω από το θέμα, το χρονικό διάστημα από τον Οκτώβριο του 2016 ως το Σεπτέμβριο του 2017. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Μη Καταστροφικών Ελέγχων του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Δυτικής Μακεδονίας. Ο σκοπός της εργασίας ήταν η μελέτη της τεχνικής Near Field Testing (NFT) κατά τον έλεγχο σε σιδηρομαγνητικά υλικά. Αρχικά, γίνεται αναφορά στους Μη Καταστροφικούς Ελέγχους δίνοντας ιδιαίτερα βαρύτητα στη μέθοδο των δινορρευμάτων και στις βασικές έννοιες της μεθόδου. Αναλύονται οι τεχνικές των δινορρευμάτων που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο σε σιδηρομαγνητικά υλικά. Στη συνέχεια, για λειτουργικούς και πρακτικούς λόγους η εργασία χωρίστηκε σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει την υπολογιστική προσέγγιση του θέματος με χρήση των προγραμμάτων Comsol Multiphysics 3.5a, Matlab και Solidworks. Προσομοιώνουμε την απόλυτη και τη διαφορική κεφαλή σε διαφορετικές συχνότητες και σε διαφορετικές απομειώσεις πάχους σε σιδηρομαγνητικό σωλήνα. Έπειτα, με τη βοήθεια της ραδιογραφίας από την κεφαλή NFT που υπάρχει στο εργαστήριο, αφού έγινε πλήρως κατανοητός ο τρόπος κατασκευής της, έγινε προσομοίωση για τη συγκεκριμένη κεφαλή ώστε να συγκριθεί ο τρόπος λειτουργίας της κεφαλής με τη θωράκιση και χωρίς αυτήν. Το δεύτερο χρονικά στάδιο της διπλωματικής, αφορούσε την πρακτική εφαρμογή των δεδομένων από τις προσομοιώσεις, κατασκευάζοντας κεφαλές δινορρευμάτων για σιδηρομαγνητικά υλικά, με χρήση εργαστηριακού εξοπλισμού όπως, 3D printer, μηχανολογικός τόρνος, λογισμικό ελέγχου Multiview, όργανο ελέγχου Olympus Multiscan MS5800, βιομηχανικές κεφαλές δινορρευμάτων. Έγινε έλεγχος με τη μέθοδο των δινορρευμάτων με βιομηχανικές διαφορικές κεφαλές της General Electric σε σιδηρομαγνητικούς σωλήνες οι οποίοι κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο. Αφού παρατηρήθηκε ότι τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά, έγινε η μελέτη και η κατασκευή απόλυτης κεφαλής δινορρευμάτων σε υψηλή συχνότητα. Η κατασκευή έγινε με τη βοήθεια του εργαστηριακού εξοπλισμού των Μη Καταστροφικών Ελέγχων. Το επόμενο βήμα, ήταν να γίνει ο έλεγχος με την κατασκευασμένη κεφαλή σε σιδηρομαγνητικούς σωλήνες με πτερύγια, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν για τη βαθμονόμηση σε έλεγχο σε εργοστάσιο της ΔΕΗ. Τέλος, έγινε έλεγχος στους συγκεκριμένους σωλήνες και με την τεχνική NFT ώστε να συγκριθούν τα αποτελέσματα, να γίνει αντιληπτή η διαφορά των δύο μεθόδων και ο λόγος που σε τέτοιους σωλήνες προτιμούνται κεφαλές NFT. Τέλος, παραθέτονται τα συμπεράσματα από τη σύγκριση που έγινε για την τεχνική των απλών δινορρευμάτων και για την τεχνική NFT σε σιδηρομαγνητικά υλικά. 1
ABSTRACT This Diploma Thesis entitled Research and construction of eddy current probes at nondestructive testing of pipes, is the result of research work conducted at the laboratory of Non Destructive Testing of the department of Mechanical Engineering, University of Western Macedonia. This research work is dealing with the analysis of the technique of Near Field Testing (NFT) on ferromagnetic materials, and Science of Nondestructive Testing is discussed with a special attention to Eddy Current Testing. This study contains two parts, where the first one presents a computational approach by using Comsol Multiphysics 3.5a, Matlab and Solidworks software. The absolute and the differential probe is simulated at different frequencies and different wall loss on ferromagnetic materials. In order to understand the geometry of the NFT probe, the method of radiography is also used. Finally, the operation of the NFT probe is simulated with and without shields. At the second part, the construction of eddy current probes for ferromagnetic materials is presented. The construction has been realized using laboratory equipment such as a 3D printer and a mechanical lathe and data acquisition has been performed by Multiview software, Olympus Multiscan MS5800 instrument,. With a special NFT probe, ferromagnetic pipes that have been produced at the laboratory have been inspected, and since the results-signals were satisfactory, the next step was the construction of the absolute probe. Finally, the comparison of the results from the use of the absolute and NFT probe is presented so that the difference between these two methods is better understood. Moreover, there is an effort to answer the question why the NFT method is preferred on ferromagnetic materials. 2
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Σε αυτό το σημείο νιώθω την ανάγκη να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα Καθηγητή κ. Θεοδουλίδη Θεόδωρο καθώς μου έδωσε την ευκαιρία να ασχοληθώ με έναν ιδιαίτερα ενδιαφέροντα τομέα της Μηχανικής, με καθοδήγησε σωστά και ήταν συνεχώς δίπλα μου στον οποιοδήποτε προβληματισμό μου. Επίσης, θέλω να ευχαριστήσω το συνάδελφο και φίλο μου Κυριάκο Παππούτα για την αμέριστη βοήθειά του, που μοιράστηκε μαζί μου όλες του τις γνώσεις επί του θέματος και ήταν δίπλα μου σε όλη τη διάρκεια της ενασχόλησης μου με το εργαστήριο. Θέλω να ευχαριστήσω θερμά τον διδάκτωρ και επίσης φίλο μου Θανάση Κυριαζόγλου, για την πολύτιμη βοήθειά του και την υπομονή του, όσο αφορά όλο το πρώτο υπολογιστικό μέρος της διπλωματικής, καθώς ήταν ιδιαίτερα σημαντικές οι γνώσεις του. Θέλω να ευχαριστήσω την οικογένεια μου και τους φίλους μου για την συνεχόμενη συμπαράσταση τους. Τέλος, θέλω να αφιερώσω αυτή τη διπλωματική στη μητέρα μου. 3
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 1 ABSTRACT... 2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... 4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... 7 Μέρος I... 13 Εισαγωγή στους Μη Καταστροφικούς Ελέγχους... 13 Κεφάλαιο 1:Εισαγωγή... 13 1.1 Μη καταστροφικοί έλεγχοι... 13 1.2 Οργανολογία των Μη Καταστροφικών Ελέγχων... 14 1.3 Μέθοδοι και τεχνικές Μη Καταστροφικών Ελέγχων... 15 1.3.1 Οπτικός έλεγχος (Visual Inspection-VI)... 15 1.3.2 Διεισδυτικά υγρά (Liquid Penetrate Testing-LT)... 15 1.3.3 Ραδιογραφία (Radiographic Testing-RT)... 15 1.3.4 Έλεγχος με χρήση υπερήχων (Ultrasonic Testing-UT)... 16 1.3.5 Έλεγχος με Μαγνητικά Σωματίδια (Magnetic Particle Testing-MT)... 16 1.3.6 Μέθοδος ακουστικής εκπομπής (Acoustic emission monitoring)... 17 1.3.7 Μηχανικοί έλεγχοι... 17 Κεφάλαιο 2: Μέθοδος των δινορρευμάτων (ECT)... 18 2.1 Τι είναι τα δινορρεύματα;... 18 2.2 Βασικές Αρχές.... 19 2.2.1 Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή... 19 2.2.2 Επίπεδο Σύνθετης Αντίστασης... 20 2.3 Παράγοντες που επηρεάζουν τον έλεγχο με δινορρεύματα.... 22 2.3.1 Αγωγιμότητα υλικού (Material Conductivity)... 22 2.3.2 Μαγνητική διαπερατότητα (Magnetic Permeability)... 22 2.3.3 Ανύψωση (lift-off)... 23 2.3.4 Παράγοντας πλήρωσης (Fill-factor)... 23 2.3.5 Βάθος διείσδυσης (Standard depth of penetration)... 23 2.3.6 Συχνότητα (Frequency)... 24 2.4 Οργανολογία για τη μέθοδο των δινορρευμάτων... 25 2.4.1 Όργανα μέτρησης... 25 2.4.2 Πρότυπα δοκίμια βαθμονόμησης.... 26 2.4.3 Αισθητήρες-πηνία. (κεφαλές)... 27 4
Κεφάλαιο 3: Κεφαλές δινορρευμάτων εσωτερικής διαμέτρου και τεχνικές αυτών.... 29 3.1 Γενικά.... 29 3.2 Απόλυτες και διαφορικές κεφαλές δινορρευμάτων.... 31 3.2.1 Απόλυτες κεφαλές.... 31 3.2.2 Διαφορικές κεφαλές... 32 3.2.3 Ανάλυση σημάτων κατά τον έλεγχο με απόλυτες και διαφορικές κεφαλές.... 33 3.3 Έλεγχος σε σιδηρομαγνητικά υλικά και κεφαλή NFT (Near Field Testing).... 34 3.3.1 Έλεγχος σε σιδηρομαγνητικά υλικά.... 34 3.3.2 Τεχνική για κεφαλή κοντινού πεδίου (Near Field Testing-NFT).... 36 Μέρος II... 39 Υπολογιστική προσομοίωση με χρήση του προγράμματος Comsol και αποτελέσματα.... 39 Κεφάλαιο 4: Υπολογιστική προσομοίωση.... 39 4.1 Σκοπός.... 39 4.2 Μέθοδος χρήσης του προγράμματος COMSOL για τον έλεγχο με δινορρεύματα.... 39 4.3 Αποτελέσματα.... 46 4.3.1 Απόλυτη κεφαλή (ABS) σε διαφορετικές συχνότητες.... 46 4.3.2 Απόλυτη κεφαλή (ABS): σύγκριση σε διαφορετικές απομειώσεις πάχους για κάθε συχνότητα. 50 4.3.3 Διαφορική κεφαλή (DIFF) σε διαφορετικές συχνότητες.... 54 Κεφάλαιο 5: Υπολογιστική προσομοίωση για την κεφαλή NFT (Near Field Testing).... 59 5.1 Σχεδιασμός κεφαλής NFT.... 59 5.2 Σύγκριση σημάτων της κεφαλής NFT με μεταλλική θωράκιση και χωρίς αυτήν.... 61 5.2.1 20% απομείωση πάχους (WLL)... 62 5.2.2 40% απομείωση πάχους (WLL)... 65 5.2.3 60% απομείωση πάχους... 68 5.3 Σύγκριση σημάτων απόλυτου καναλιού NFT και απόλυτης κεφαλής.... 71 5.4 Σύγκριση σημάτων διαφορικού καναλιού NFT και διαφορικής κεφαλής.... 72 Μέρος III... 73 Πειραματικό μέρος και αποτελέσματα.... 73 Κεφάλαιο 6: Προετοιμασία εργαστηριακού ελέγχου.... 73 6.1 Σκοπός... 73 6.2 Διαδικασία που ακολουθήθηκε.... 73 Κεφάλαιο 7: Μετρήσεις με βιομηχανικές κεφαλές σε σιδηρομαγνητικά υλικά.... 74 7.1 Πειραματική διάταξη.... 74 5
7.2 Αποτελέσματα κατά τον έλεγχο με βιομηχανικές κεφαλές.... 78 Κεφάλαιο 8: Κατασκευή απόλυτης κεφαλής για έλεγχο σε εναλλάκτες θερμότητας. 81 8.1 Μελέτη δεδομένων και σχεδίαση κεφαλής.... 81 8.2 Κατασκευή κεφαλής δινορρευμάτων.... 88 Κεφάλαιο 9: Σύγκριση αποτελεσμάτων κατά τον έλεγχο με απόλυτη και με NFT κεφαλή.... 90 9.1 Έλεγχος σωλήνων και αποτελέσματα.... 90 9.1.1 Σφάλμα: Απομείωση πάχους 20%, μεγάλο αυλάκι μέχρι την έξοδο. (long groove)... 91 9.1.2 Σφάλμα: Απομείωση πάχους 60%, μικρό αυλάκι (short groove).... 92 9.1.3 Σφάλμα: Οπές (Holes).... 94 Κεφάλαιο 10: Συμπεράσματα... 96 Βιβλιογραφία... 97 Λογισμικά... 99 6
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1: Ρωγμή στο αεροσκάφος Comet [2]... 13 Σχήμα 2: Δημιουργία δινορρευμάτων σε αγώγιμο υλικό [11].... 19 Σχήμα 3: Μαγνητικό πεδίο κατά την ύπαρξη ασυνέχειας σε σωλήνα [12].... 20 Σχήμα 4: α)κανονικοποιημένο επίπεδο σύνθετης αντίστασης και... 21 β)ελάττωμα (crack) στο υπό εξέταση δοκίμιο [11]... 21 Σχήμα 5: (α) υψηλή συχνότητα, υψηλή αγωγιμότητα, υψηλή διαπερατότητα και (β) χαμηλή συχνότητα, χαμηλή αγωγιμότητα, χαμηλή διαπερατότητα [5].... 24 Σχήμα 6: Όργανο μέτρησης [15]... 25 Σχήμα 7: Επιφάνεια εργασίας Multiview [16]... 25 Σχήμα 8: Φορητό όργανο μέτρησης [15].... 26 Σχήμα 9: Βαθμονόμηση [17]... 26 Σχήμα 10: Αισθητήρες Επιφανείας [18].... 27 Σχήμα 11: Αισθητήρες εξωτερικής διαμέτρου [19].... 28 Σχήμα 12:Αισθητήρες εσωτερικής διαμέτρου... 28 Σχήμα 13: Καλώδιο ελέγχου σε σύνδεση με αισθητήρα εσωτερικής διαμέτρου... 28 Σχήμα 14: Συσχέτιση του επιπέδου σύνθετης αντίστασης και του σήματος όταν παρουσιάζεται ελάττωμα [2].... 30 Σχήμα 15: Απόλυτη Κεφαλή [20].... 31 Σχήμα 16: Απομειώσεις πάχους και πλάκα στήριξης σε συνάρτηση με την απόσταση [2].... 31 Σχήμα 17: Διαφορική Κεφαλή [20].... 32 Σχήμα 18: (a): Επίπεδο σύνθετης αντίστασης διαφορικού σήματος... 32 (b) Πραγματικό και Φανταστικό μέρος ως προς την απόσταση [11]... 32 Σχήμα 19: Διαφορικό σήμα για τον ίδιο έλεγχο με το Σχήμα 16.... 33 Δεν είναι ευδιάκριτη η απομείωση πάχους [2]... 33 Σχήμα 20: Σήματα από μία τυπική βαθμονόμηση για απόλυτη (ABSOLUTE) και διαφορική κεφαλή (DIFFERENTIAL) [2].... 33 Σχήμα 21: Σήματα κατά τη βαθμονόμηση στο κάθετο και οριζόντιο κανάλι [2].... 34 7
Σχήμα 22: Τυπική κεφαλή MFL [22]... 35 Σχήμα 23: Τυπική κεφαλή RFT [25]... 36 Σχήμα 24: Το επαγόμενο μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τον αισθητήρα... 37 (α) χωρίς θωράκιση και (β) με μεταλλική θωράκιση [26].... 37 Σχήμα 25: Κεφαλή NFT [15].... 38 Σχήμα 26: Σήματα ελέγχου κεφαλής NFT (Multiview)... 38 (α) απόλυτο κανάλι (ABS)... 38 (β) διαφορικό κανάλι (DIF)... 38 Σχήμα 27: Επιφάνεια εργασίας Comsol... 39 Σχήμα 28:Comsol_1... 40 Σχήμα 29: Comsol_2... 40 Σχήμα 30:Comsol_3... 41 Σχήμα 31:Comsol_4... 41 Σχήμα 32:Comsol_5... 42 Σχήμα 33:Comsol_6... 42 Σχήμα 34:Comsol_7... 43 Σχήμα 35:Comsol_8... 43 Σχήμα 36:Comsol_9... 44 Σχήμα 37:Comsol_10... 45 Πίνακας 1.1: Χαρακτηριστικά Σωλήνα... 45 Πίνακας 1.2: Χαρακτηριστικά Σφάλματος... 46 Πίνακας 1.3: Χαρακτηριστικά πηνίου... 46 Σχήμα 38: Σχέδιο στο Comsol της απόλυτης κεφαλής.... 46 Σχήμα 39: Σήματα,ABS, 20% WLL, 0.1-300 khz... 47 Σχήμα 40: Σήματα, ABS, 20% WLL, 0.1-3 khz... 47 Σχήμα 41: Σήματα, ABS, 40% WLL, 0.1-300 khz... 48 Σχήμα 42: Σήματα, ABS, 40% WLL, 0.1-3 khz... 48 Σχήμα 43: Σήματα, ABS, 60% WLL, 0.1-300 khz... 49 8
Σχήμα 44: Σήματα, ABS, 60% WLL, 0.1-3 khz... 49 Σχήμα 45: Σήματα, ABS, 0.1 khz... 50 Σχήμα 46: Σήματα, ABS, 0.3 khz... 51 Σχήμα 47: Σήματα, ABS, 1 khz... 51 Σχήμα 48: Σήματα, ABS, 3 khz... 52 Σχήμα 49: Σήματα, ABS, 10 khz... 52 Σχήμα 50: Σήματα, ABS, 30 khz... 53 Σχήμα 51: Σήματα, ABS, 100 khz... 53 Σχήμα 52: Σήματα, ABS, 300 khz... 54 Σχήμα 53: Διαφορική κεφαλή (2 πηνία)... 54 Σχήμα 54: Σήματα, DIFF, 20% WLL, 0.1-300 khz... 55 Σχήμα 55: Σήματα, DIFF, 20% WLL, 0.1-3 khz... 55 Σχήμα 56: Σήματα, DIFF, 40% WLL, 0.1-300 khz... 56 Σχήμα 57: Σήματα, DIFF, 40% WLL, 0.1-3 khz... 56 Σχήμα 58: Σήματα, DIFF, 60% WLL, 0.1-300 khz... 57 Σχήμα 59: Σήματα, DIFF, 60% WLL 0.1-3 khz... 57 Σχήμα 60: Κεφαλή NFT με το καλώδιο σύνδεσης.... 59 Σχήμα 61: Ραδιογραφία κεφαλής NFT... 60 Πίνακας 1.4: Χαρακτηριστικά κεφαλής NFT... 60 Πίνακας 1.5:Χαρακτηριστικά πηνίων.... 60 Σχήμα 62: Κεφαλή NFT, σχέδιο στο Comsol... 61 Σχήμα 63: Φανταστικό μέρος (Imaginary part) συναρτήσει της απόστασης.... 62 Σχήμα 64: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης... 62 Σχήμα 65: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης... 63 Σχήμα 66: Φανταστικό μέρος (Imaginary part) συναρτήσει της απόστασης.... 63 Σχήμα 67: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης... 64 Σχήμα 68: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης... 64 Σχήμα 69: Φανταστικό μέρος (Imaginary part) συναρτήσει της απόστασης.... 65 9
Σχήμα 70: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης... 65 Σχήμα 71: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης... 66 Σχήμα 72: Φανταστικό μέρος (Imaginary part) συναρτήσει της απόστασης.... 66 Σχήμα 73: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης... 67 Σχήμα 74: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης... 67 Σχήμα 75: Φανταστικό μέρος (Imagine part) συναρτήσει της απόστασης.... 68 Σχήμα 76: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης... 68 Σχήμα 77: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης... 69 Σχήμα 78: Φανταστικό μέρος (Imagine part) συναρτήσει της απόστασης.... 69 Σχήμα 79: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης... 70 Σχήμα 80: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης... 70 Σχήμα 81: Απόλυτο κανάλι, NFT with shields και απόλυτη κεφαλή στα 300 Hz... 71 Σχήμα 82: Απόλυτο κανάλι, NFT without shields και απόλυτη κεφαλή στα 300 Hz... 71 Σχήμα 83: Διαφορικό κανάλι, NFT with shields και διαφορική κεφαλή στα 300 Hz... 72 Σχήμα 84: Διαφορικό κανάλι, NFT without shields και διαφορική κεφαλή στα 300... 72 Σχήμα 85: Multiscan MS5800... 74 Σχήμα 86: Βήμα 1ο... 75 Σχήμα 87: Βήμα 2ο-4ο... 75 Σχήμα 88: Multiview για έλεγχο NFT... 76 Σχήμα 89: Διαφορική κεφαλή δινορρευμάτων... 76 Σχήμα 90: Σχεδιασμός σωλήνα... 77 Σχήμα 91: Σύγκριση συχνοτήτων DIF-Y... 78 (α) 10 khz (β) 76 khz... 78 (γ) 190 khz (δ) 400 khz... 78 Σχήμα 92: Τομή σωλήνα ελέγχου... 78 Σχήμα 93: Σύγκριση συχνοτήτων DIF-X... 79 (α) 10 khz (β) 76 khz... 79 (γ) 190 khz (δ) 400 khz... 79 10
Σχήμα 94: Σύγκριση της σύνθετης αντίστασης Ζ σε διαφορετικές συχνότητες... 80 (α) 10 khz (β) 76 khz... 80 (γ) 190 khz (δ) 400 khz... 80 Σχήμα 95: Βαθμονομημένοι σωλήνες με πτερύγια... 81 Πίνακας 1.6: Χαρακτηριστικά του σωλήνα... 81 Σχήμα 96: Τομή σωλήνα και κεφαλής.... 82 Σχήμα 97: Διαστάσεις πηνίου... 84 Σχήμα 98: Διατομή πηνίου... 84 Σχήμα 99: Υπολογισμός σύνθετης αντίστασης στο TEDDY... 85 Πίνακας 1.7: Χαρακτηριστικά Σωλήνα, Κεφαλής, Πηνίου... 87 Σχήμα 100: Σχεδίαση κεφαλής δινορρευμάτων... 87 Σχήμα 101: Μηχανολογικός τόρνος που χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή.... 88 Σχήμα 102: Περιελίκτρια πηνίων.... 88 Σχήμα 103: Κατασκευή κεφαλής και πηνίου... 89 Σχήμα 104: Κατασκευή σύνδεσης κεφαλής.... 89 Σχήμα 105: Απόλυτη και NFT κεφαλή... 90 Σχήμα 106: Σωλήνας με πτερύγια, σφάλμα: 20% long groove... 91 Σχήμα 107: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης... 91 (α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι... 91 (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι... 91 Σχήμα 108: Κάθετο κανάλι... 92 (α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι... 92 (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι... 92 Σχήμα 109: Σωλήνας με πτερύγια, σφάλμα: 60% short groove... 92 Σχήμα 110: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης... 93 (α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι... 93 (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι... 93 Σχήμα 111: Κάθετο κανάλι... 93 11
(α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι... 93 (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι... 93 Σχήμα 112: Σωλήνας με πτερύγια, σφάλμα: 4 οπές... 94 Σχήμα 113: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης... 94 (α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι... 94 (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι... 94 Σχήμα 114: Κάθετο κανάλι... 95 (α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι... 95 (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι... 95 12
Μέρος I Εισαγωγή στους Μη Καταστροφικούς Ελέγχους Κεφάλαιο 1:Εισαγωγή 1.1 Μη καταστροφικοί έλεγχοι Η ανάγκη για εξοικονόμηση χρόνου και χρήματος στην παραγωγική διαδικασία της σύγχρονης βιομηχανίας οδήγησε στην ανάπτυξη των μη καταστροφικών μεθόδων ελέγχου (ΜΚΕ). Με τις καταστροφικές μεθόδους διασφαλίζουμε την πλήρη κατανόηση της δομής του υλικού καθώς και της αντοχής του. Πρόκειται όμως για μία χρονοβόρα και πολυέξοδη διαδικασία που καθιστά αδύνατη τη μελλοντική χρήση του υπό εξέταση υλικού και για κάθε έλεγχο απαιτείται η δημιουργία ενός καινούργιου δοκιμίου. Από την άλλη πλευρά, οι μη καταστροφικές μέθοδοι πλεονεκτούν διότι δεν καταστρέφουν το υπό εξέταση δοκίμιο και δεν επηρεάζουν τη λειτουργικότητά του. Επίσης, είναι ένας τρόπος να αποφευχθούν ατυχήματα λόγω αστοχιών των κατασκευών αφού είναι εφικτή η έγκαιρη ανίχνευση των ασυνεχειών. Είναι αρκετά τα παραδείγματα τέτοιων ατυχημάτων όπως πτώση αεροσκαφών, εκτροχιασμός τρένων, έκρηξη αντιδραστήρων. Τη δεκαετία του 50, το αεροσκάφος Comet υπέστη μία καταστροφική αστοχία που στοίχισε τη ζωή ανθρώπων. Υπήρχαν ρωγμές που ξεκινούσαν από τις ακμές των παραθύρων όπου ήταν και η μεγαλύτερη συγκέντρωση τάσεων, λόγω έλλειψης γνώσεων πάνω στους ΜΚΕ δεν ήταν εφικτό να αντιληφθούν ότι λόγω κόπωσης μετά από 1000 κύκλους συμπίεσης-αποσυμπίεσης η ρωγμή θα αυξανόταν εκθετικά με τη λειτουργία με αποτέλεσμα την πτώση του αεροσκάφους [1]. Σχήμα 1: Ρωγμή στο αεροσκάφος Comet [2]. 13
Καταλαβαίνουμε ότι οι ΜΚΕ είναι απαραίτητοι για σχεδόν οποιοδήποτε βιομηχανικό προιόν [3]. Είναι έλεγχοι κατά τους οποίους διαπιστώνεται αν σε ένα εξάρτημα ή μία κατασκευή υπάρχουν ελαττώματα, το μέγεθος αυτών και οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών τους οι οποίες μεταβάλλονται σύμφωνα με το χρόνο και τις συνθήκες λειτουργίας. Είναι δηλαδή η ανάγκη να αποφασιστεί αν ένα αντικείμενο που ήδη χρησιμοποιείται μπορεί να συνεχίσει και στο μέλλον και για πόσο ή η ανάγκη να διασφαλιστεί η σωστή λειτουργία του αντικειμένου για τελική χρήση. Για να γίνει ένας τέτοιος έλεγχος υπάρχουν διάφορες μέθοδοι και η χρήση της κάθε μεθόδου εξαρτάται από το είδος του προβλήματος. Η ιδανική μέθοδος επιλέγεται ανάλογα με τις τυπικές ατέλειες που πρέπει να ανιχνευτούν, τις εκάστοτε εφαρμογές και τα πλεονεκτήματα ή μειονεκτήματά της. 1.2 Οργανολογία των Μη Καταστροφικών Ελέγχων Ο ρόλος της οργανολογίας των μη καταστροφικών ελέγχων είναι σημαντικός για την αποτελεσματικότητα των μεθόδων [4]. Τα όργανα της κάθε μεθόδου θα πρέπει να πληρούν συγκεκριμένα κριτήρια και κανόνες έτσι ώστε οι μετρήσεις τους να είναι έμπιστες και επιστημονικά αποδεκτές [5]: Ακρίβεια: Είναι απαραίτητο η μέτρηση να είναι ακριβής, δηλαδή να είναι επαναλήψιμη και να μην υπάρχει συστηματικό σφάλμα. Αξιοπιστία: Το όργανο θα πρέπει να ανιχνεύει τις ατέλειες με αξιοπιστία, διότι αν δεν ανιχνεύσει μία βλάβη που υπάρχει μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του εξαρτήματος, αλλιώς αν ανιχνεύσει βλάβη χωρίς να υπάρχει πραγματικά τότε θα αχρηστευτεί το αντικείμενο και αυτό θα έχει οικονομικό κόστος. Απλότητα: Είναι σύνηθες τα όργανα να μη χρησιμοποιούνται μόνο από εξειδικευμένους τεχνίτες αλλά και από τεχνικούς σε ένα εργοστάσιο [5]. Χαμηλό κόστος: Γενικότερα το κόστος των συγκεκριμένων οργάνων δεν είναι χαμηλό με την απόλυτη έννοια του όρου. Είναι χαμηλό σε σχέση με το υπό εξέταση δοκίμιο ή σε σχέση με την πιθανότητα αστοχίας στο συγκεκριμένο δοκίμιο [5]. 14
1.3 Μέθοδοι και τεχνικές Μη Καταστροφικών Ελέγχων 1.3.1 Οπτικός έλεγχος (Visual Inspection-VI) Η παλαιότερη μέθοδος των μη καταστροφικών ελέγχων είναι αυτή του Οπτικού Ελέγχου (ΟΕ) [6]. Πρόκειται για μία απλή μέθοδο όσον αφορά τη διαδικασία και τον εξοπλισμό που απαιτείται καθώς το βασικό εργαλείο είναι το ανθρώπινο μάτι σε συνδυασμό με κάποια βοηθήματα όπως μεγεθυντικούς φακούς και ενδοσκόπια. Μπορεί να εφαρμοστεί οποιαδήποτε στιγμή πριν ή κατά τη λειτουργία του εξαρτήματος και στα περισσότερα υλικά ή κατασκευές. Ο ΟΕ μπορεί να γίνει και με τη βοήθεια της ψηφιακής τεχνολογίας (μηχανική όραση) [6]. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τον οπτικό έλεγχο είναι: Η εμπειρία και η εκπαίδευση του ανιχνευτή. Η προσοχή στη λεπτομέρεια. Συνθήκες φωτισμού. Δυνατότητα επεξεργασίας των οπτικών δεδομένων [5]. 1.3.2 Διεισδυτικά υγρά (Liquid Penetrate Testing-LT) Ο έλεγχος με διεισδυτικά υγρά βασίζεται και αυτός στην οπτική παρατήρηση. Χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό επιφανειακών ρωγμών και βρίσκει εφαρμογή σε σιδηρούχα και μη σιδηρούχα κράματα. Τα βασικά στάδια για την εξέταση του υλικού με τη συγκεκριμένη μέθοδο είναι: Ο καθαρισμός της επιφάνειας. Η εφαρμογή του κατάλληλου διεισδυτικού υγρού Ο καθαρισμός του υγρού και Η εφαρμογή ενός υγρού ή σκόνης η οποία όταν έρχεται σε επαφή με το διεισδυτικό υγρό το οποίο απορροφήθηκε από την ρωγμή δημιουργεί έντονη χρωματική αντίθεση [7]. Τα πλεονεκτήματα ελέγχου με διεισδυτικά υγρά είναι το χαμηλό κόστος, η ευκολία στον εντοπισμό των ατελειών και μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε αγώγιμα όσο και σε μη αγώγιμα υλικά. 1.3.3 Ραδιογραφία (Radiographic Testing-RT) Η ραδιογραφία αποτελεί μία από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους μη καταστροφικών ελέγχων, η οποία χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υψηλής διεισδυτικότητας. Πρόκειται, δηλαδή 15
για έλεγχο κατά τον οποίο διεισδύει η ακτινοβολία Χ ή η ακτινοβολία γ δια μέσου του εξεταζόμενου υλικού και κατά τη διάρκεια του ελέγχου αποτυπώνονται οι ασυνέχειες σε βιομηχανικό φιλμ. Επίσης, υπάρχει ο έλεγχος ραδιογραφίας με υποατομικά σωματίδια (Neutron radiographic testing) και ο έλεγχος με ψηφιακή ραδιογραφία-τομογραφία (Computed Tomography) [8]. Η μόνιμη καταγραφή των αποτελεσμάτων για το υπό εξέταση δοκίμιο καθώς και η δυνατότητα ελέγχου σε δοκίμια με μεγάλο γεωμετρικό εύρος είναι κάποια από τα πλεονεκτήματα της ραδιογραφίας. Όμως, αποτελεί μία μέθοδο με αρκετά μειονεκτήματα και το σημαντικότερο αυτών είναι ότι υπάρχει πιθανός κίνδυνος για την υγεία καθώς δεν τηρείται η τυπική διαδικασία ασφαλείας από τους χειριστές με αποτέλεσμα την πρόκληση ατυχημάτων [4]. 1.3.4 Έλεγχος με χρήση υπερήχων (Ultrasonic Testing-UT) Η βασική αρχή του ελέγχου με υπερήχους είναι ηχητικά κύματα πολύ υψηλής συχνότητας της τάξεως των εκατοντάδων kηz [5] τα οποία διαπερνούν το υλικό έτσι ώστε να ανιχνεύονται οι εσωτερικές ατέλειες. Τα ηχητικά κύματα έχουν προβλέψιμη πορεία η οποία ανακλάται, διαθλάται ή σκεδάζεται εάν διακοπεί από οποιαδήποτε ατέλεια ή ελάττωμα όπως ρωγμές ή αποκολλήσεις. Η δέσμη που παρεκκλίνει της αρχικής πορείας λαμβάνεται από το δέκτη της συσκευής υπερήχων και το σήμα που ανιχνεύεται εμφανίζεται σε οθόνη όπου ενισχύεται για να καταστεί δυνατή η απεικόνιση με υψηλή ανάλυση. Γίνεται επεξεργασία και στη συνέχεια ερμηνεύεται με βάση τη σχέση με το αρχικό εισαγόμενο κύμα. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει μεγάλη εξέλιξη στην τεχνολογία των υπερήχων με τη μέθοδο Phased Array. Τα βασικά πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου σε σχέση με τη συμβατική μέθοδο των υπερήχων είναι αυξημένη ευελιξία τους κατά τον έλεγχο, η μείωση του χρόνου επιθεώρησης καθώς και η δυνατότητα καταγραφής και επεξεργασίας αποτελεσμάτων ελέγχου [9]. Επίσης, μία εξίσου σημαντική τεχνική της μεθόδου υπερήχων είναι αυτή της περίθλασης (Time of Flight Diffraction-TOFD) η οποία χρησιμοποιείται κυρίως στις βιομηχανίες πετρελαίου και στην πυρηνική βιομηχανία και διακρίνεται για το χαμηλό ποσοστό εσφαλμένων ενδείξεων [6]. 1.3.5 Έλεγχος με Μαγνητικά Σωματίδια (Magnetic Particle Testing-MT) Ο έλεγχος με μαγνητικά σωματίδια είναι μία απλή μέθοδος μη καταστροφικών ελέγχων που χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό επιφανειακών και ελαφρώς υποεπιφανειακών ασυνεχειών. Μπορεί να εφαρμοστεί μόνο σε σιδηρομαγνητικά υλικά και έχει αρκετά χαμηλό κόστος. Τα βασικά βήματα της μεθόδου είναι: 16
Καθαρισμός του δοκιμίου Μαγνήτιση του δοκιμίου που θα ελεγχθεί Εφαρμογή των μαγνητικών σωματιδίων Παρατήρηση και ερμηνεία ενδείξεων καθώς τα μαγνητικά σωματίδια συγκεντρώνονται και παρακρατούνται από το πεδίο διαρροής και έτσι σχηματίζουν το περίγραμμα της ασυνέχειας. 1.3.6 Μέθοδος ακουστικής εκπομπής (Acoustic emission monitoring) Η ακουστική εκπομπή είναι μία μέθοδος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια λειτουργίας της κατασκευής και να εντοπίζει ασυνέχειες ακόμα και σε δυσπρόσιτα σημεία. Πρόκειται για τη δημιουργία και μετάδοση ελαστικών κυμάτων που παράγονται μέσα σε ένα υλικό με απότομη απελευθέρωση ενέργειας. Στη συνέχεια, με τη χρήση κατάλληλων πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων γίνεται μετατροπή των ελαστικών κυμάτων σε ηλεκτρικά σήματα που παρέχουν πληροφορίες για την πηγή και την τοποθεσία της βλάβης [5]. 1.3.7 Μηχανικοί έλεγχοι Εκτός από τις βασικές μεθόδους μη καταστροφικών ελέγχων υπάρχουν και οι μηχανικοί έλεγχοι: Μέθοδος Ακουστικής Πρόσκρουσης (Acoustic-Impact) Θερμογραφικός Έλεγχος (Thermo Graphic Inspection) Μέθοδοι Μηχανικής Αντίστασης (Mechanical Impedance) Έλεγχοι ταλαντώσεων (Vibration Monitoring) 17
Κεφάλαιο 2: Μέθοδος των δινορρευμάτων (ECT) 2.1 Τι είναι τα δινορρεύματα; Η ονομασία δινορρεύματα προέρχεται από τις δίνες που παρατηρούνται σε ένα υγρό ή αέριο όταν η ροή τους παρεμβάλλεται από εμπόδια. Η εικόνα ροής των δινορρευμάτων μοιάζει με αυτές τις δίνες. Στην περίπτωσή μας, τα δινορρεύματα είναι τα ρεύματα που προκαλούνται στο εσωτερικό των αγωγών, όταν αυτοί βρεθούν μέσα σε μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία. Οφείλονται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, κατά το οποίο όταν εναλλασσόμενο ρεύμα εφαρμόζεται σε έναν αγωγό, αναπτύσσεται μαγνητικό πεδίο μέσα και γύρω από τον αγωγό και στη συνέχεια αυτό το μαγνητικό πεδίο δημιουργεί τα δινορρεύματα. Πρόκειται για μία μέθοδο με μεγάλο εύρος εφαρμογών στη βιομηχανία γενικότερα αλλά και στην αεροπορική βιομηχανία. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση επιφανειακών και υποεπιφανειακών σφαλμάτων σε σωληνώσεις ή και μεταλλικά ελάσματα που αποτελούνται από αγώγιμα υλικά. Επίσης, χρησιμοποιείται και για άλλους σκοπούς όπως διαλογή υλικών ή μέτρηση πάχους τοιχωμάτων. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου των δινορρευμάτων είναι: Γρήγορη ταχύτητα σάρωσης. Δεν απαιτείται χρήση υγρού ή οποιουδήποτε αναλώσιμου υλικού. Η υπό εξέταση επιφάνεια χρειάζεται ελάχιστη προετοιμασία. Είναι εφικτό να γίνει έλεγχος σε δοκίμιο που έχει αρκετά χιλιοστά επίστρωση. Ανιχνεύονται ακόμα και πολύ μικρές ατέλειες στην επιφάνεια ή κάτω από την επιφάνεια του δοκιμίου. Μπορούν να ελεγχθούν δοκίμια με σύνθετη γεωμετρία. Τα όργανα μέτρησης είναι φορητά. Μεγάλο εύρος επιλογής στους αισθητήρες και στις συχνότητες ελέγχου. Οι αισθητήρες δε χρειάζεται να έχουν επαφή με το δοκίμιο [10]. 18
2.2 Βασικές Αρχές. 2.2.1 Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή Όταν εναλλασσόμενο ρεύμα περνάει από ένα πηνίο δημιουργείται μαγνητικό πεδίο του οποίου οι μαγνητικές γραμμές είναι συγκεντρωμένες στο κέντρο του πηνίου. Η μέθοδος των δινορρευμάτων βασίζεται στο νόμο της επαγωγής (ή νόμο του Faraday) κατά τον οποίο ένα χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο προκαλεί ρεύματα σε έναν ηλεκτρικό αγωγό. Έτσι, όταν το πηνίο τοποθετείται κοντά σε έναν ηλεκτρικά αγώγιμο αγωγό το πρωτεύον εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο (Primary magnetic field) περνάει μέσα από το δοκίμιο δημιουργώντας τα δινορρεύματα (Eddy Currents). Τα επαγόμενα αυτά ρεύματα που είναι στο υπό έλεγχο δοκίμιο δημιουργούν ένα δευτερεύον μαγνητικό πεδίο (Secondary magnetic field) που τείνει να αντιτάσσεται στο πρωτεύον πεδίο του πηνίου (Σχήμα 2) [11]. Σχήμα 2: Δημιουργία δινορρευμάτων σε αγώγιμο υλικό [11]. Όταν υπάρχει ρωγμή στο δοκίμιο μεταβάλλεται το μαγνητικό πεδίο και έτσι μεταβάλλεται η ροή των δινορρευμάτων. Για παράδειγμα μία ρωγμή σε έναν σωλήνα θα δημιουργούσε μαγνητικό πεδίο όπως στο σχήμα 3. Βέβαια, η κατεύθυνση της ρωγμής έχει σημασία καθώς αν η ρωγμή είναι παράλληλη με τη ροή των δινορρευμάτων τότε η ανίχνευσή της είναι δυσκολότερη έως και αδύνατη, ενώ αν η ρωγμή είναι κάθετη στη ροή είναι εύκολα ανιχνεύσιμη [8]. 19
Σχήμα 3: Μαγνητικό πεδίο κατά την ύπαρξη ασυνέχειας σε σωλήνα [12]. 2.2.2 Επίπεδο Σύνθετης Αντίστασης Κάθε πηνίο χαρακτηρίζεται από τη σύνθετη αντίσταση Ζ 0. Είναι, δηλαδή, η συνολική αντίσταση στη ροή του εναλλασσόμενου ρεύματος που ορίζεται με τη διανυσματική πρόσθεση της ωμικής αντίστασης και της επαγωγικής αντίδρασης. Z 0 = R 0 + jx 0 = R 0 + j2πfl 0 (2.1) Ζ 0 = R 2 2 0 + X 0 (2.2) Όπου, R 0= ωμική αντίσταση, πραγματικό μέρος της σύνθετης αντίστασης Ζ 0 Χ 0= ωl 0= επαγωγική αντίδραση, φανταστικό μέρος της σύνθετης αντίστασης Ζ 0 L 0= αυτεπαγωγή f= συχνότητα εναλλασσόμενου ρεύματος Η σύνθετη αντίσταση διαφέρει ανάλογα με τη θέση του πηνίου ως προς το αγώγιμο δοκίμιο, με το υλικό που είναι κατασκευασμένο το δοκίμιο καθώς και με την ύπαρξη ρωγμής σε αυτό. Αυτές οι διαφορές γίνονται εύκολα αντιληπτές στο κανονικοποιημένο διάγραμμα σύνθετης αντίστασης (Σχήμα 3). Αποτελείται από δύο μεταβλητές, το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της σύνθετης 20
αντίστασης. Στον άξονα του Χ είναι το πραγματικό μέρος και στον άξονα του Υ το φανταστικό μέρος. Για να είναι όμως τα δεδομένα κανονικοποιημένα χρησιμοποιείται η εξίσωση: R - R c 0 R cn = και X cn = X0 X X c n (2.3, 2.4) Όπου, R cn= κανονικοποιημένη ωμική αντίσταση X cn= κανονικοποιημένη επαγωγική αντίδραση R c,x c= ωμική αντίσταση και επαγωγική αντίδραση όταν το πηνίο βρίσκεται κοντά στο αγώγιμο υλικό. R 0,X 0= ωμική αντίσταση και επαγωγική αντίδραση όταν το πηνίο βρίσκεται στον αέρα. Σχήμα 4: α)κανονικοποιημένο επίπεδο σύνθετης αντίστασης και β)ελάττωμα (crack) στο υπό εξέταση δοκίμιο [11]. Σύμφωνα με το διάγραμμα γίνεται αντιληπτή η διαφορά θέσης του πηνίου καθώς στο σημείο P 0 το πηνίο βρίσκεται στον αέρα ενώ στα σημεία P 1 και P 2 το πηνίο βρίσκεται κοντά σε μη σιδηρομαγνητικά υλικά. Με το πρώτο υλικό P 1 να έχει χαμηλότερη αγωγιμότητα από το δεύτερο P 2. Παρατηρείται επίσης ότι 0<R cn2<r cn1 και Χ cn1<x cn2<1. Τέλος, είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι στα χαμηλότερης αγωγιμότητας υλικά είναι δύσκολο να διαχωριστεί η γραμμή lift-off με τη 21
γραμμή της ένδειξης του ελαττώματος. Στα σιδηρομαγνητικά υλικά είναι παρόμοιος ο τρόπος σχεδίασης με τη διαφορά ότι έχουμε διαφορετικές τιμές στις δύο μεταβλητές με το φανταστικό μέρος X cn να είναι μεγαλύτερο του 1 [11]. 2.3 Παράγοντες που επηρεάζουν τον έλεγχο με δινορρεύματα. 2.3.1 Αγωγιμότητα υλικού (Material Conductivity) Η αγωγιμότητα των υλικών παίζει σημαντικό ρόλο στο μη καταστροφικό έλεγχο των δινορρευμάτων. Είναι δηλαδή το πόσο εύκολα μπορεί να περάσει το ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από κάποιο υλικό σώμα [13]. Με τη βοήθεια του επιπέδου σύνθετης αντίστασης μπορούν να διαχωριστούν τα υλικά σύμφωνα με την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα και έτσι τα δινορρεύματα είναι μία μέθοδος με την οποία μπορεί να μετρηθεί η αγωγιμότητα κάποιου υλικού [11]. Στα υλικά με υψηλή αγωγιμότητα όπως ο χαλκός ή το αλουμίνιο, το ρεύμα έχει μεγαλύτερη ένταση και έτσι υπάρχει το πλεονέκτημα της ευκολότερης ανίχνευσης ατελειών. Το σήμα είναι δυνατότερο όπως φαίνεται και στο σχήμα 3a και επίσης η φάση ανάμεσα στη ρωγμή (crack) και στη γραμμή lift-off είναι μεγαλύτερη (φ 1>φ 2). Το μειονέκτημα της υψηλής αγωγιμότητας είναι ότι έχει μικρότερο βάθος διείσδυσης σε συγκεκριμένη συχνότητα σε σχέση με ένα υλικό χαμηλότερης αγωγιμότητας. Η αγωγιμότητα ενός υλικού μπορεί να αλλάξει λόγω θερμοκρασίας ή καταπόνησης [11]. 2.3.2 Μαγνητική διαπερατότητα (Magnetic Permeability) Η μαγνητική διαπερατότητα μ εκφράζει το πόσο εύκολα ένα υλικό μαγνητίζεται. Η σχετική μαγνητική διαπερατότητα μ rel ορίζεται από τον τύπο: μ μ rel = μ 0 (2.5) Όπου, μ 0= η μαγνητική διαπερατότητα του κενού Η σχετική διαπερατότητα των μη σιδηρομαγνητικών υλικών είναι μ rel=1 ίση δηλαδή με αυτή του αέρα. Στα σιδηρομαγνητικά υλικά, όμως μ rel>1 γεγονός που επηρεάζει τη μέθοδο των δινορρευμάτων καθώς τα ρεύματα συγκεντρώνονται στην επιφάνεια του δοκιμίου, καθιστώντας δύσκολη την ανίχνευση υποεπιφανειακών ατελειών. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται συγκεκριμένοι ανιχνευτές απομακρυσμένου πεδίου (remote field probes) [10]. 22
2.3.3 Ανύψωση (lift-off) Όταν το πηνίο βρίσκεται στον αέρα και ενεργοποιείται τότε έχει μία συγκεκριμένη σύνθετη αντίσταση. Όσο το πηνίο πλησιάζει στο δοκίμιο αυτή η σύνθετη αντίσταση μεταβάλλεται, με το μεγαλύτερο εύρος μεταβολής να υφίσταται όταν το πηνίο θα είναι στην επιφάνεια του δοκιμίου, η μεταβολή αυτή λέγεται lift-off (σχήμα 4) [5]. Πρόκειται δηλαδή για την απόσταση του πηνίου από το υπό εξέταση δοκίμιο. Το lift-off αποτελεί έναν αρνητικό παράγοντα στη μέθοδο των δινορρευμάτων θεωρείται θόρυβος [11]. 2.3.4 Παράγοντας πλήρωσης (Fill-factor) Ο παράγοντας πλήρωσης χρησιμοποιείται για ελέγχους σε σωληνώσεις και είναι ένας τρόπος να βρεθεί η ιδανική διάμετρος κεφαλής για να χωράει χωρίς μεγάλο lift-off στο σωλήνα που θα γίνει ο έλεγχος. Μία αποδεκτή τιμή είναι 80-90% καθώς αν είναι μικρότερη τότε επηρεάζεται η ευαισθησία και κατ επέκταση η ακρίβεια του ελέγχου [8]. 2 d η= D (2.6) Όπου, D= εσωτερική διάμετρος σωλήνα d= εξωτερική διάμετρος κεφαλής 2.3.5 Βάθος διείσδυσης (Standard depth of penetration) Κατά τον έλεγχο με τη μέθοδο των δινορρευμάτων τα δινορρεύματα δεν κατανέμονται ομοιόμορφα στο υπό εξέταση υλικό. Η πυκνότητα των δινορρευμάτων είναι μεγαλύτερη στην επιφάνεια του δοκιμίου, δηλαδή στην επιφάνεια που έχει άμεση επαφή με το πηνίο. Όσο αυξάνεται το βάθος του δοκιμίου τόσο η πυκνότητα τείνει να μειωθεί. Τυπικό βάθος διείσδυσης δ καλείται η απόσταση κάτω από την επιφάνεια του δοκιμίου, όπου η πυκνότητα των δινορρευμάτων μειώνεται στο 1/e=37% σε σχέση με την πυκνότητα στην επιφάνεια του δοκιμίου. Το τυπικό βάθος διείσδυσης δίνεται από τον τύπο: 1 δ= πμσf (2.7) Όπου, μ= μαγνητική διαπερατότητα 23
σ= αγωγιμότητα f= συχνότητα λειτουργίας [14]. Σχήμα 5: (α) υψηλή συχνότητα, υψηλή αγωγιμότητα, υψηλή διαπερατότητα και (β) χαμηλή συχνότητα, χαμηλή αγωγιμότητα, χαμηλή διαπερατότητα [5]. 2.3.6 Συχνότητα (Frequency) Είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε έναν έλεγχο με δινορρεύματα να επιτυγχάνεται το σωστό βάθος διείσδυσης ανάλογα με το υλικό και το βάθος του δοκιμίου. Σύμφωνα με την εξίσωση (2.5) το βάθος διείσδυσης εξαρτάται και από τη συχνότητα. Επομένως, παρατηρείται ότι στις υψηλές συχνότητες όπου η ευαισθησία είναι υψηλή, η διείσδυση περιορίζεται σε πολύ χαμηλό βάθος κοντά στην επιφάνεια με αποτέλεσμα να ανιχνεύονται επιφανειακές ατέλειες ακόμα και αν είναι πολύ μικρές. Από την άλλη πλευρά, σε χαμηλές συχνότητες η ισχύς των δινορρευμάτων φτάνει σε μεγάλο βάθος ανιχνεύοντας και υποεπιφανειακές ατέλειες. Όμως, όταν η συχνότητα είναι χαμηλή τότε η ευαισθησία μειώνεται και μικρές επιφανειακές ρωγμές είναι δύσκολο να εντοπιστούν. Εάν το πρότυπο βάθος διείσδυσης είναι μεγαλύτερο από το πάχος του υλικού τότε αυτό θα λειτουργήσει ως αρνητικός παράγοντας καθώς θα παρουσιαστεί αλλαγή στην αγωγιμότητα του υλικού. Πρέπει λοιπόν επιλέγοντας την κατάλληλη συχνότητα το πάχος του υλικού να είναι δύο με τρεις φορές μεγαλύτερο από το βάθος διείσδυσης. Τυπικές συχνότητες ανίχνευσης στα δινορρεύματα είναι από 100 Hz-10 MΗz [11]. Ο έλεγχος πρέπει να γίνεται σε ένα εύρος συχνοτήτων κατά το οποίο η ευαισθησία παραμένει η ίδια, ώστε να λαμβάνεται όσο το δυνατόν καλύτερο σήμα [14]. Εκτός από το βάθος διείσδυσης, είναι ιδιαίτερα σημαντικό και το υλικό του δοκιμίου για την κατάλληλη επιλογή εύρους συχνότητας. Ειδικότερα, ο έλεγχος σε σιδηρομαγνητικά υλικά απαιτεί πολύ χαμηλές συχνότητες καθώς στα υλικά αυτά το βάθος διείσδυσης είναι ιδιαίτερα μικρό. Για τον έλεγχο επιφανειακών ατελειών χρησιμοποιούνται υψηλές συχνότητες οι οποίες όμως θεωρούνται πολύ μικρότερες σε σύγκριση με τις συχνότητες που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο σε μη μαγνητικά υλικά σε παρόμοιες συνθήκες [5]. 24
2.4 Οργανολογία για τη μέθοδο των δινορρευμάτων. 2.4.1 Όργανα μέτρησης Το όργανο που χρησιμοποιήθηκε στη συγκεκριμένη διπλωματική είναι το Multiscan MS5800 της Olympus. Σχήμα 6: Όργανο μέτρησης [15]. Επίσης, το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε ώστε να απεικονίζεται το σήμα από τον έλεγχο ονομάζεται Multiview. Σχήμα 7: Επιφάνεια εργασίας Multiview [16]. 25
Εκτός από τέτοιου τύπου όργανα υπάρχουν και τα φορητά όργανα μέτρησης. Σχήμα 8: Φορητό όργανο μέτρησης [15]. 2.4.2 Πρότυπα δοκίμια βαθμονόμησης. Για να γίνει οποιοσδήποτε έλεγχος με τη μέθοδο των δινορρευμάτων απαιτείται η κατασκευή πρότυπων δοκιμίων βαθμονόμησης. Πρόκειται για δοκίμια που κατασκευάζονται σύμφωνα με πρότυπα ανάλογα με το υλικό του δοκιμίου, τη χρήση που γίνεται στο δοκίμιο και τη διάταξη του δοκιμίου. Έτσι, υπάρχουν ήδη γνωστές τιμές που έχουν ληφθεί από αυτά τα πρότυπα ανάλογα με το ελάττωμα που θα παρουσιαστεί για παράδειγμα, οπές ή απομειώσεις πάχους. Στη συνέχεια, κατά των έλεγχο θα είναι πλήρως αντιληπτά τα δεδομένα. Για παράδειγμα, στο σχήμα 9 έχει γίνει βαθμονόμηση για έλεγχο με δινορρεύματα σε συγκεκριμένο υλικό και άρα σε συγκεκριμένη συχνότητα. Έτσι, κατά τον έλεγχο όταν ανιχνευθεί οποιοδήποτε ελάττωμα, ανάλογα με τη φάση (γωνία) και το μέγεθος του σήματος θα είναι γνωστά, ο τύπος, το βάθος του ελαττώματος καθώς και το μέγεθός του αντίστοιχα. Σχήμα 9: Βαθμονόμηση [17]. 26
2.4.3 Αισθητήρες-πηνία. (κεφαλές) Οι κεφαλές αποτελούνται από πηνία που τροφοδοτούνται από εναλλασσόμενο ρεύμα συγκεκριμένης συχνότητας. Όταν η κεφαλή βρεθεί κοντά στη μεταλλική επιφάνεια επάγει ρεύματα σε αυτό και με τη σειρά τους αυτά δημιουργούν ένα πεδίο που επιδρά στα πηνία και επηρεάζει το ρεύμα που τα διαρρέει. Οι αλλαγές αυτές στο ρεύμα δείχνουν την κατάσταση της επιφάνειας του υλικού, για παράδειγμα αν υπάρχουν ρωγμές. Για κάθε έλεγχο είναι απαραίτητο να γίνει η κατάλληλη επιλογή αισθητήρων ώστε να ληφθούν αξιόπιστα δεδομένα. Η επιλογή αυτή γίνεται λαμβάνοντας υπόψη τους παράγοντες που επηρεάζουν τον έλεγχο με δινορρεύματα (Κεφάλαιο 2.3), τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά καθώς και το υλικό του εκάστοτε δοκιμίου και τον τύπο ελαττωμάτων που προβλέπεται ότι θα ελεγχθούν. Οι αισθητήρες ταξινομούνται ως εξής [5]: Αισθητήρες επιφανείας (Σχήμα 10). Αισθητήρες εξωτερικής διαμέτρου (Σχήμα 11). Αισθητήρες εσωτερικής διαμέτρου (Σχήμα 12). Σχήμα 10: Αισθητήρες Επιφανείας [18]. 27
Σχήμα 11: Αισθητήρες εξωτερικής διαμέτρου [19]. Σχήμα 12:Αισθητήρες εσωτερικής διαμέτρου Σχήμα 13: Καλώδιο ελέγχου σε σύνδεση με αισθητήρα εσωτερικής διαμέτρου 28
Κεφάλαιο 3: Κεφαλές δινορρευμάτων εσωτερικής διαμέτρου και τεχνικές αυτών. 3.1 Γενικά. Όταν πρόκειται για έλεγχο σε σωληνώσεις χρησιμοποιούνται κεφαλές εσωτερικής διαμέτρου. Το lift-off δεν υφίσταται αφού έχουμε σταθερή απόσταση πηνίου και δοκιμίου και αντικαθίσταται από το fill-factor. Υπάρχουν διάφορες τύποι κεφαλών, όπου η κάθε μία έχει διαφορετική κατασκευαστική δομή. Για την κατάλληλη επιλογή κεφαλής πρέπει να ληφθεί υπόψη: Τα ακριβή γεωμετρικά χαρακτηριστικά του δοκιμίου Η συχνότητα που θα χρησιμοποιηθεί Ο τύπος των ελαττωμάτων (εσωτερικά, εξωτερικά ελαττώματα) Το υλικό του δοκιμίου (σιδηρομαγνητικό, μη σιδηρομαγνητικό) Περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά (θερμοκρασία). Έχει επιλεχθεί σωστή κεφαλή για τον έλεγχο όταν ικανοποιούνται τα εξής κριτήρια: Είναι εμφανής η διαφορά σήματος όταν πρόκειται για ελάττωμα και όταν πρόκειται για οποιαδήποτε άλλη ένδειξη (ένδειξη fill-factor). Υπάρχει διαχωρισμός φάσης στα εσωτερικά και εξωτερικά ελαττώματα. Κύριος παράγοντας επιλογής κεφαλής είναι η συχνότητα καθώς είναι πιο εύκολο να μεταβληθεί από τους υπόλοιπους παράγοντες. Επιλέγοντας λοιπόν τη σωστή συχνότητα ικανοποιούνται και τα κριτήρια που προαναφέρθηκαν (Σχήμα 14). 29
Σχήμα 14: Συσχέτιση του επιπέδου σύνθετης αντίστασης και του σήματος όταν παρουσιάζεται ελάττωμα [2]. Στο σχήμα 14 γίνεται αρχικά η συσχέτιση από το επίπεδο σύνθετης αντίστασης και το σήμα που έχει ληφθεί κατά τη βαθμονόμηση πριν από τον έλεγχο. Σύμφωνα με τη βαθμονόμηση, το σήμα που αναμένεται σε εσωτερικό ή εξωτερικό ελάττωμα ή σε οπή στη συχνότητα f 90 φαίνεται στην εικόνα δεξιά. H f 90 κατά τη βαθμονόμηση αναφέρεται στη ιδανική συχνότητα όπου το εσωτερικό και το εξωτερικό ελάττωμα παρουσιάζονται με γωνία (φάση) 90 μοιρών. Για μη σιδηρομαγνητικούς σωλήνες ισχύει ο εμπειρικός τύπος: 3ρ f = (3.1) t 90 2 όπου, f 90= συχνότητα σε kηz ρ= αντίσταση σε μω cm t= πάχος του σωλήνα σε mm Παρατηρώντας το διάγραμμα σε συχνότητα πολύ χαμηλότερη από f 90/4 τα σήματα δε διαχωρίζονται εύκολα καθώς είναι πολύ μικρή η γωνία φάσης ανάμεσα στα ελαττώματα με αποτέλεσμα να δημιουργείται σύγχυση για το βάθος του ελαττώματος που έχει ανιχνευθεί. Από την άλλη σε συχνότητα μεγαλύτερη από 2f 90 παρατηρείται ότι η γωνία φάσης για το διαχωρισμό ελαττωμάτων είναι πολύ μεγαλύτερη από 90 μοίρες [2]. 30
3.2 Απόλυτες και διαφορικές κεφαλές δινορρευμάτων. 3.2.1 Απόλυτες κεφαλές. Αποτελείται από ένα πηνίο. Σχήμα 15: Απόλυτη Κεφαλή [20]. Έχει υψηλή ευαισθησία σε απότομες και βαθμιαίες αλλαγές στις διαστάσεις του δοκιμίου, όπως μικρές απομειώσεις πάχους (Wall loss-wll) καθώς και στο υλικό του δοκιμίου. Τα σήματα κατά τον έλεγχο είναι πιο απλά και διακριτά. Δείχνουν όλο το μήκος του ελαττώματος, για παράδειγμα στις απομειώσεις πάχους. Είναι εύκολο να διαχωριστούν σήματα που αφορούν διαφορετικά ελαττώματα. Σχήμα 16: Απομειώσεις πάχους και πλάκα στήριξης σε συνάρτηση με την απόσταση [2]. Τα μειονεκτήματα της απόλυτης κεφαλής είναι ότι είναι επιρρεπής στις μεταβολές θερμοκρασίας και κατά τον έλεγχο έχει μεγάλη ευαισθησία με αποτέλεσμα να δημιουργείται ευκολότερα θόρυβος στα σήματα. 31
3.2.2 Διαφορικές κεφαλές. Αποτελείται από δύο πηνία. Σχήμα 17: Διαφορική Κεφαλή [20]. Τα πηνία ανίχνευσης τυλίγονται σε αντίθετες κατευθύνσεις μεταξύ τους, έτσι ώστε να εξισώνονται οι επαγόμενες τάσεις που προέρχονται από τη διέγερση. Έτσι, όταν περάσει το πρώτο πηνίο από ένα ελάττωμα και στη συνέχεια περάσει το δεύτερο πηνίο τότε θα δημιουργηθεί το διαφορικό σήμα. Τα δύο σήματα από το πρώτο και δεύτερο πηνίο είναι ίδια σε αντίθετες κατευθύνσεις. Σχήμα 18: (a): Επίπεδο σύνθετης αντίστασης διαφορικού σήματος (b) Πραγματικό και Φανταστικό μέρος ως προς την απόσταση [11]. Όταν, η ασυνέχεια έχει μεγάλο μήκος τότε και τα δύο πηνία θα βρίσκονται στην ίδια απομείωση πάχους καθώς τα πηνία είναι πολύ κοντά μεταξύ τους. Τα σήματα θα αφαιρεθούν με αποτέλεσμα να μην είναι ευδιάκριτο το ελάττωμα. 32
Σχήμα 19: Διαφορικό σήμα για τον ίδιο έλεγχο με το Σχήμα 16. Δεν είναι ευδιάκριτη η απομείωση πάχους [2]. Ανιχνεύει πολύ μικρές ασυνέχειες (οπές, διάβρωση). Δεν είναι επιρρεπής σε διαφορές θερμοκρασίας. Δεν υπάρχει ιδιαίτερη ευαισθησία ώστε να δημιουργείται θόρυβος στα σήματα κατά τον κλυδωνισμό της κεφαλής στη διάρκεια του ελέγχου. 3.2.3 Ανάλυση σημάτων κατά τον έλεγχο με απόλυτες και διαφορικές κεφαλές. Μία απλή βαθμονόμηση με τις ελάχιστες πληροφορίες για να αντιληφθούμε τα σήματα κατά τον έλεγχο περιέχει σήματα εσωτερικής απομείωσης πάχους (Inner Diameter groove), εξωτερικής απομείωσης πάχους (Outer Diameter groove) και οπής (HOLE). Τα σήματα που θα δούμε παρακάτω για την απόλυτη αλλά και για τη διαφορική κεφαλή είναι σύμφωνα με μία τυπική βαθμονόμηση με συχνότητα f 90, δηλαδή η διαφορά φάσης μεταξύ των ID και OD σφαλμάτων είναι 90 μοίρες. Σχήμα 20: Σήματα από μία τυπική βαθμονόμηση για απόλυτη (ABSOLUTE) και διαφορική κεφαλή (DIFFERENTIAL) [2]. 33
Τα σήματα στο σχήμα 20 μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο ως οδηγός για να αντιληφθούμε πώς θα αναλύσουμε τα σήματα που θα πάρουμε κατά την προσομοίωση και τον έλεγχο, καθώς η φάση και το πλάτος των σημάτων για κάθε σφάλμα μπορεί να αλλάξει ανάλογα με το είδος σφάλματος καθώς και με τη γεωμετρία της κεφαλής. Επίσης, κατά τον έλεγχο εκτός από το επίπεδο σύνθετης αντίστασης τα σήματα εμφανίζονται και σε δύο λωρίδες που αποτελούν το κάθετο (Y CHANNEL) και το οριζόντιο (X CHANNEL) κανάλι, δηλαδή το φανταστικό και το πραγματικό μέρος αντίστοιχα της σύνθετης αντίστασης. Ο τρόπος κατά τον οποίο εμφανίζονται τα σήματα στα δύο κανάλια σχετίζεται με τη φάση του σήματος. Όπως φαίνεται στο σχήμα 21, όταν η γωνία του σήματος είναι μικρή ( ID GROOVE και HOLE) τότε το σήμα έχει τιμές και στο πραγματικό και στο φανταστικό μέρος της σύνθετης αντίστασης, άρα έχει εμφανή σήματα και στα δύο κανάλια. Από την άλλη πλευρά, όταν το σήμα είναι κάθετα προσανατολισμένο (OD GROOVE) τότε παίρνει τιμές στον κάθετο άξονα και άρα το ελάττωμα είναι εμφανές στο οριζόντιο κανάλι. Σχήμα 21: Σήματα κατά τη βαθμονόμηση στο κάθετο και οριζόντιο κανάλι [2]. 3.3 Έλεγχος σε σιδηρομαγνητικά υλικά και κεφαλή NFT (Near Field Testing). 3.3.1 Έλεγχος σε σιδηρομαγνητικά υλικά. Ο έλεγχος σε σιδηρομαγνητικά υλικά, είναι μία ιδιαίτερα δύσκολη περίπτωση ελέγχου με τη μέθοδο των δινορρευμάτων. Πρόκειται για υλικά με πολύ μεγάλη μαγνητική διαπερατότητα που δεν είναι πάντα σταθερή και με αρκετά μεγάλη αγωγιμότητα. Σύμφωνα με την εξίσωση 2.7, το βάθος διείσδυσης είναι αντιστρόφως ανάλογο με την τετραγωνική ρίζα της διαπερατότητας, της αγωγιμότητας και της συχνότητας, με αποτέλεσμα, στα συγκεκριμένα υλικά να είναι πολύ χαμηλό. 34
Έτσι, με τα απλά δινορρεύματα είναι ανιχνεύσιμα κυρίως τα επιφανειακά ελαττώματα, ενώ η δυσκολία στην ανίχνευση υποεπιφανειακών ελαττωμάτων οδήγησε στην ανάγκη να βρεθούν νέοι και διαφορετικοί τρόποι ανίχνευσης [5]. Τεχνική Μαγνητικού κορεσμού. Υπάρχουν κάποιοι τρόποι να ξεπεραστούν αυτές οι δυσκολίες και υπάρχει συνεχόμενη έρευνα για τη βελτιστοποίηση τους. Ένας τρόπος που προτείνεται είναι η μαγνήτιση του υπό εξέταση δοκιμίου ώστε να φτάσει στο σημείο μαγνητικού κορεσμού και εάν επιτευχθεί κορεσμός σε ποσοστό 98% τότε το δοκίμιο συμπεριφέρεται πλέον ως μη σιδηρομαγνητικό. Έτσι, το δοκίμιο μπορεί να ελεγχθεί με απλά δινορρεύματα. Όμως, η τεχνική των απλών δινορρευμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τον προσδιορισμό της σύνθεσης, της σκληρότητας, της αγωγιμότητας, της ηλεκτρικής αντίστασης και της μαγνητικής διαπερατότητας του μεταλλικού υλικού. Αυτό σημαίνει ότι, σε περίπτωση που ο μαγνητικός κορεσμός δεν επιτευχθεί στο επιθυμητό ποσοστό τότε μπορεί να δημιουργηθεί παρανόηση του σήματος, δηλαδή το σήμα να δείχνει τη μέτρηση για τη μαγνητική διαπερατότητα του υλικού και να δημιουργηθεί σύγχυση ότι η ένδειξη του σήματος σε εκείνο το σημείο αφορά την ύπαρξη σφάλματος. Επίσης, γενικά o μαγνητικός κορεσμός είναι εφικτός στα σιδηρομαγνητικά υλικά αλλά είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε σωλήνες που βρίσκονται κάτω από σιδηρομαγνητικές πλάκες στήριξης [2]. Τεχνική Διαρροής Μαγνητικής Ροής (Magnetic Flux Leakage-MFL) Λόγω δυσκολιών της προηγούμενης τεχνικής, αναπτύχθηκαν και άλλες τεχνικές με τις οποίες είναι εφικτό να ελεγχθούν σιδηρομανγητικά υλικά με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Μία τεχνική είναι αυτή της Διαρροή Μαγνητικής Ροής (Magnetic Flux Leakage- MFL). Οι κεφαλές MFL χρησιμοποιούν ένα ισχυρό μαγνήτη ώστε να μαγνητίσουν το υπό εξέταση δοκίμιο (Permanent magnets producing a magnetic field) και στη συνέχεια οι αισθητήρες (trail coil) εντοπίζουν τη διαρροή. Πρόκειται για μία τεχνική κατά την οποία μπορούν να εντοπιστούν και εσωτερικά αλλά και εξωτερικά ελαττώματα. Είναι ιδανική για έλεγχο σε σιδηρομαγνητικούς σωλήνες με πτερύγια καθώς το μαγνητικό πεδίο μένει ανεπηρέαστο από την ύπαρξη πτερυγίων [21]. Σχήμα 22: Τυπική κεφαλή MFL [22]. 35
Τεχνική Transmit-receive probe. Ένας άλλος τρόπος ελέγχου σιδηρομαγνητικών υλικών είναι η χρήση της τεχνικής transmit-receive probe, δηλαδή κεφαλές με διεγέρτη και δέκτες. Πρόκειται για κεφαλές που μπορούν να λύσουν το πρόβλημα ανίχνευσης ελαττωμάτων σε σιδηρομαγνητικά υλικά. Κατά τον έλεγχο με αυτές τις κεφαλές, τα σήματα που λαμβάνονται είναι διακριτά, υπάρχει διαχωρισμός φάσης του σήματος για τα σφάλματα και του σήματος για τη μαγνητική διαπερατότητα, είναι εύκολα αντιληπτό το μέγεθος του σφάλματος καθώς το πλάτος του σήματος είναι ανάλογο με το μέγεθος. Τέτοιες κεφαλές είναι και η κεφαλή απομακρυσμένου πεδίου RFT (Remote Field Testing) και η κεφαλή κοντινού πεδίου NFT (Near Field Testing) με την οποία θα ασχοληθούμε εκτενέστερα [23]. Τεχνική για κεφαλή RFT. Μία τυπική κεφαλή RFT αποτελείται από ένα πηνίο διέγερσης (Driver coil) και ένα πηνίο ανίχνευσης (Receiver coil). Τα πηνία αυτά βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους. Αυτή η απόσταση είναι το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της συγκεκριμένης τεχνικής καθώς παρατηρείται διάχυση του πεδίου διαμέσου του τοιχώματος του σωλήνα (energy flow path) [24]. Η RFT είναι από τις ιδανικότερες τεχνικές ελέγχου σε σιδηρομαγνητικά υλικά. Έχει υψηλή ευαισθησία σε ανιχνεύσεις ελαττωμάτων που προκαλούνται από διάβρωση ή φθορά. Τέλος, λειτουργεί σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων [15]. Σχήμα 23: Τυπική κεφαλή RFT [25]. 3.3.2 Τεχνική για κεφαλή κοντινού πεδίου (Near Field Testing-NFT). Σε αυτή την τεχνική η κεφαλή αποτελείται από έναν πομπό και τους δέκτες (driver-pickup coils). Οι δέκτες μπορεί να είναι ένας έως τρεις, ο ένας είναι για το απόλυτο κανάλι και οι άλλοι δύο για το διαφορικό κανάλι. Το πηνίο πομπός τροφοδοτείται από εναλλασσόμενο ρεύμα σε συχνότητα 300 Hz και δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο και άρα τα δινορρεύματα, ενώ τα πηνία δέκτες είναι τα πηνία που ανιχνεύουν τις μεταβολές των δινορρευμάτων στο δοκίμιο, από τα ελαττώματα που υπάρχουν σε αυτό. Είναι μία τεχνική όπου τα πηνία είναι κοντά μεταξύ τους και είναι δυνατό να 36
έχουν διαφορετικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά. Έτσι, ένα μεγάλο πηνίο διεγέρτης μπορεί να δημιουργήσει ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, ώστε τα πηνία που είναι οι ανιχνευτές να εντοπίζουν τις ασυνέχειες με ιδιαίτερη ευαισθησία και διακριτότητα. Με την τεχνική NFT είναι πολύ εύκολα ανιχνεύσιμες μικρές εσωτερικές ασυνέχειες και διαβρώσεις. Στη συνέχεια, ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της κεφαλής NFT που τη διαφοροποιεί από μία απλή κεφαλή δινορρευμάτων είναι η ύπαρξη θωράκισης (μεταλλικές πλάκες) στο πηνίο διεγέρτης (πομπός). Ένα πηνίο διεγέρτης χωρίς τη θωράκιση θα δημιουργούσε το μαγνητικό πεδίο στη φυσιολογική του μορφή, όπως φαίνεται στο σχήμα 24. Με την ύπαρξη των μεταλλικών πλακών οι μαγνητικές γραμμές είναι αποδυναμωμένες σε σχέση με αυτές χωρίς την ύπαρξη θωράκισης και συγκεντρώνονται κοντά στις πλάκες, δηλαδή επιτυγχάνεται η καθοδήγηση των μαγνητικών γραμμών ώστε να μη διαχέονται αλλά το μαγνητικό πεδίο να είναι πιο ενισχυμένο στα συγκεκριμένα σημεία και οι ρωγμές να είναι ευκολότερα ανιχνεύσιμες. Λόγω της θωράκισης, ο διαχωρισμός των σημάτων για διαφορετικά ελαττώματα είναι πιο ευδιάκριτος από τα σήματα μίας κεφαλής χωρίς τη μεταλλική θωράκιση. Τέλος, παρατηρείται ότι η ευαισθησία είναι σημαντικά μεγαλύτερη [26]. Σχήμα 24: Το επαγόμενο μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τον αισθητήρα (α) χωρίς θωράκιση και (β) με μεταλλική θωράκιση [26]. 37
Τα σήματα από τον έλεγχο με κεφαλή NFT έχουν μεγάλο πλάτος και είναι υψηλής ποιότητας, κάτι που διευκολύνει την κατανόησή τους με αποτέλεσμα να θεωρείται μία γρήγορη μέθοδος ανίχνευσης. Προτιμούνται για ελέγχους σε σιδηρομγνητικά υλικά. Επίσης, πρόκειται για μία τεχνική που χρησιμοποιείται για ελέγχους σε εναλλάκτες θερμότητας, σε σωλήνες με πτερύγια ή σωλήνες με πλάκες στήριξης. Αυτό συμβαίνει λόγω του σιδηρομαγνητισμού καθώς το βάθος διείσδυσης είναι μικρό. Έτσι, είναι ευδιάκριτο το σήμα των εσωτερικών ασυνεχειών χωρίς να επηρεάζεται από εξωτερικές δομές. Κάτι που με τα απλά δινορρεύματα δεν ισχύει καθώς μπορεί το σήμα για την ασυνέχεια να παρανοηθεί ως σήμα που δείχνει ότι υπάρχει η πλάκα [27]. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν και κάποιοι περιορισμοί όσο αφορά τη συχνότητα για τα driverpick up πηνία. Επειδή είναι ιδιαίτερα μεγάλη η ευαισθησία τους, πρέπει η συχνότητα λειτουργίας τους να μην είναι ούτε πολύ μεγάλη αλλά ούτε και πολύ μικρή. Σε περίπτωση που η συχνότητα είναι αρκετά μικρή, το πηνίο πομπός θα έχει χαμηλή σύνθετη αντίσταση με αποτέλεσμα να αυξηθεί το ρεύμα που το διαπερνάει. Έτσι, το πηνίο πομπός θα έχει πολύ υψηλή θερμότητα κάτι που θα έχει αρνητικές επιπτώσεις στην ποιότητα των σημάτων. Επίσης, μία πολύ υψηλή συχνότητα μπορεί να οδηγήσει σε υπερβολικά ενισχυμένα και παραμορφωμένα σήματα [28]. Σχήμα 25: Κεφαλή NFT [15]. Σχήμα 26: Σήματα ελέγχου κεφαλής NFT (Multiview) (α) απόλυτο κανάλι (ABS) (β) διαφορικό κανάλι (DIF) 38
Μέρος II Υπολογιστική προσομοίωση με χρήση του προγράμματος Comsol και αποτελέσματα. Κεφάλαιο 4: Υπολογιστική προσομοίωση. 4.1 Σκοπός. Στόχος της υπολογιστικής προσομοίωσης είναι να συγκρίνουμε τη συμπεριφορά των δινορρευμάτων σε διαφορετικές συχνότητες, απομειώσεις πάχους και τεχνικές ελέγχου. Η προσομοίωση θα γίνει σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων από 0.1 έως 100 khz και σε απομειώσεις πάχους 20%, 40% και 60%. Οι τεχνικές ελέγχου που θα προσομοιωθούν είναι αυτές των απλών δινορρευμάτων με απόλυτη και διαφορική κεφαλή και της τεχνικής NFT (Near Field Testing). 4.2 Μέθοδος χρήσης του προγράμματος COMSOL για τον έλεγχο με δινορρεύματα. Με το λογισμικό Comsol Multiphysics 3.5a έχουμε τη δυνατότητα προσομοίωσης διαφόρων φυσικών φαινομένων. Στη συγκεκριμένη διπλωματική έγινε μοντελοποίηση και ανάλυση ενός ηλεκτρομαγνητικού φαινομένου, αυτό της συμπεριφοράς του πηνίου όταν χρησιμοποιείται για έλεγχο δινορρευμάτων σε σωλήνες που έχουν ως ελαττώματα ομοιόμορφες απομειώσεις πάχους. Παρακάτω, θα περιγράψουμε τα βήματα που ακολουθούνται για την προσομοίωση. Σχήμα 27: Επιφάνεια εργασίας Comsol 39
Αρχικά επιλέγουμε ότι θα εργαστούμε σε δυσδιάστατο συμμετρικό μοντέλο (2D axial symmetry) και στον ηλεκτρομαγνητικό τομέα (AC/DC) (Σχήμα 28). Σχήμα 28:Comsol_1 Εισάγουμε τις σταθερές, την πυκνότητα ρεύματος πηνίου Jo, την αγωγιμότητα con και τη σχετική μαγνητική διαπερατότητα mr του σωλήνα από την επιλογή Options Constants. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 29, η πυκνότητα ρεύματος του πηνίου εξαρτάται από τις σπείρες του πηνίου Ν, το ρεύμα διέγερσης I και τη διατομή του πηνίου Α. Σχήμα 29: Comsol_2 40
Σχεδιάζουμε την τομή του σωλήνα και του πηνίου σε επιφάνεια r-z ενός κυλινδρικού συστήματος συντεταγμένων καθώς λόγω της αξονικής συμμετρίας του προβλήματος μπορεί να προσομοιωθεί μόνο με μία δισδιάστατη επιφάνεια. Στη συνέχεια, επιλέγουμε τις φυσικές μεταβλητές για το σωλήνα και το πηνίο, physics subdomain settings (Σχήμα 30). Σχήμα 30:Comsol_3 Σχήμα 31:Comsol_4 41
Σχήμα 32:Comsol_5 Σχήμα 33:Comsol_6 42
Σχήμα 34:Comsol_7 Επιλέγουμε τις οριακές συνθήκες ώστε να υπάρχει αξονική συμμετρία, physics boundaries. (Σχήμα 35) Σχήμα 35:Comsol_8 43
Γράφουμε την εξίσωση για τον υπολογισμό της σύνθετης αντίστασης από το μαγνητικό πεδίο, Postprocessing Subdomain Integration. Η συγκεκριμένη εξίσωση προκύπτει από τον τύπο: Ζ = jω 2 A J dv (3.2) Ι V Όπου, Ζ= σύνθετη αντίσταση ω= γωνιακή συχνότητα I= εναλλασσόμενο ρεύμα A = εμβαδόν διατομής πηνίου J = πυκνότητα ρεύματος Σχήμα 36:Comsol_9 44
Δημιουργούμε πλέγμα (Initialize mesh), το πυκνώνουμε (Refine mesh) και επιλύουμε πατώντας το κουμπί ίσον. Σχήμα 37:Comsol_10 Τέλος, αφού έχουμε πάρει μέτρηση για αυτή τη θέση του πηνίου, μετακινούμε το πηνίο και ξανακάνουμε την ίδια διαδικασία. Το κάνουμε τόσες φορές ώστε να γίνει η σάρωση όλου του σωλήνα. Στην παρούσα διπλωματική η προσομοίωση έγινε σύμφωνα με πραγματικά δεδομένα για το σωλήνα και την κεφαλή. Ο σωλήνας σχεδιάστηκε με βάση τους σιδηρομαγητικούς χαλύβδινους σωλήνες με τα πτερύγια που έχουμε στο εργαστήριο (Σχήμα 95) και η κεφαλή με βάση τα δεδομένα που υπολογίσαμε για τους συγκεκριμένους σωλήνες (Κεφάλαιο 8). Πίνακας 1.1: Χαρακτηριστικά Σωλήνα Εξωτερική διάμετρος Εσωτερική διάμετρος Πάχος Μήκος Αγωγιμότητα Σχετική μαγνητική διαπερατότητα Σωλήνας 38 mm 32.6 mm 2.7 mm 80 mm 5 MS/m 50 45
Πίνακας 1.2: Χαρακτηριστικά Σφάλματος Σφάλμα 20% απομείωση πάχους σωλήνα 2.7 20%= 0.54 mm 40% απομείωση πάχους σωλήνα 2.7 40%=1.08 mm 60% απομείωση πάχους σωλήνα 2.7 60%= 1.62 mm Μήκος 20 mm Πίνακας 1.3: Χαρακτηριστικά πηνίου Εξωτερική διάμετρος Εσωτερική διάμετρος Μήκος Σπείρες Ν Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος I Πυκνότητα ρεύματος πηνίου Jo Πηνίο 29.45 mm 27.34 mm 20 mm 55 σπείρες 1 Ampere N I A = 55 1 1.055 2.5 = 20.853 A m 2 4.3 Αποτελέσματα. 4.3.1 Απόλυτη κεφαλή (ABS) σε διαφορετικές συχνότητες. Σχήμα 38: Σχέδιο στο Comsol της απόλυτης κεφαλής. 46
Σχήμα 39: Σήματα,ABS, 20% WLL, 0.1-300 khz Σχήμα 40: Σήματα, ABS, 20% WLL, 0.1-3 khz 47
Σχήμα 41: Σήματα, ABS, 40% WLL, 0.1-300 khz Σχήμα 42: Σήματα, ABS, 40% WLL, 0.1-3 khz 48
Σχήμα 43: Σήματα, ABS, 60% WLL, 0.1-300 khz Σχήμα 44: Σήματα, ABS, 60% WLL, 0.1-3 khz 49
Παρατηρήσεις Παρατηρούμε σε όλες τις απομειώσεις πάχους ότι όσο αυξάνεται η συχνότητα έχω δυνατότερο σήμα αλλά με πολύ θόρυβο. Οι ιδανικότερες συχνότητες είναι τα 100 και τα 300 Hz όπου το σήμα είναι γραμμικό, εύκολα διακριτό και χωρίς καθόλου θόρυβο. Σε πολύ μεγάλες συχνότητες και αφού έχουμε σιδηρομαγνητικά υλικά, το βάθος διείσδυσης είναι εξαιρετικά μικρό οπότε το πλέγμα που χρησιμοποιούμε στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων δεν επαρκεί για την ικανοποιητική προσομοίωση της μεθόδου. 4.3.2 Απόλυτη κεφαλή (ABS): σύγκριση σε διαφορετικές απομειώσεις πάχους για κάθε συχνότητα. Σχήμα 45: Σήματα, ABS, 0.1 khz 50
Σχήμα 46: Σήματα, ABS, 0.3 khz Σχήμα 47: Σήματα, ABS, 1 khz 51
Σχήμα 48: Σήματα, ABS, 3 khz Σχήμα 49: Σήματα, ABS, 10 khz 52
Σχήμα 50: Σήματα, ABS, 30 khz Σχήμα 51: Σήματα, ABS, 100 khz 53
Σχήμα 52: Σήματα, ABS, 300 khz Παρατηρήσεις Όσο αυξάνεται η απομείωση πάχους, τόσο αυξάνεται και το μέγεθος σήματος και αλλάζει η φάση (γωνία). 4.3.3 Διαφορική κεφαλή (DIFF) σε διαφορετικές συχνότητες. Σχήμα 53: Διαφορική κεφαλή (2 πηνία) 54
Σχήμα 54: Σήματα, DIFF, 20% WLL, 0.1-300 khz Σχήμα 55: Σήματα, DIFF, 20% WLL, 0.1-3 khz 55
Σχήμα 56: Σήματα, DIFF, 40% WLL, 0.1-300 khz Σχήμα 57: Σήματα, DIFF, 40% WLL, 0.1-3 khz 56
Σχήμα 58: Σήματα, DIFF, 60% WLL, 0.1-300 khz Σχήμα 59: Σήματα, DIFF, 60% WLL 0.1-3 khz 57
Παρατηρήσεις Από τα σήματα καταλαβαίνουμε ότι όπως και στην απόλυτη κεφαλή έτσι και στη διαφορική όσο αυξάνεται η συχνότητα αυξάνεται και η ένταση του σήματος σε όλες τις απομειώσεις πάχους. Όμως, στη διαφορική κεφαλή ο θόρυβος δεν είναι τόσο έντονος, ακόμα και στα 3 khz, με αποτέλεσμα ακόμα και στις πιο μεγάλες συχνότητες να λαμβάνουμε ικανοποιητικό σήμα. Παρατηρείται, επίσης, ότι στις μικρότερες απομειώσεις πάχους 20% και 40% ο θόρυβος είναι εντονότερος στις μεγάλες συχνότητες από αυτόν στην απομείωση πάχους 60%. 58
Κεφάλαιο 5: Υπολογιστική προσομοίωση για την κεφαλή NFT (Near Field Testing). 5.1 Σχεδιασμός κεφαλής NFT. Για να σχεδιάσουμε την κεφαλή NFT καθώς δεν γνωρίζαμε επακριβώς το εσωτερικό της, χρησιμοποιήσαμε τη μέθοδο της ραδιογραφίας με τη βοήθεια του Κέντρου Τεχνολογίας και Ποιοτικού Ελέγχου TQCC-Α. & Κ. ΚΩΤΟΥΖΑΣ Ο.Ε (Σχήμα 61). Έτσι, παρατηρήσαμε ότι η κεφαλή αποτελείται από τέσσερα πηνία, έναν διεγέρτη και τρεις δέκτες. Οι δύο δέκτες μας δίνουν το διαφορικό σήμα και ο τρίτος μας δίνει το απόλυτο. Επίσης, με τη βοήθεια της ραδιογραφίας παρατηρήσαμε ότι το πηνίο διεγέρτης βρίσκεται ανάμεσα σε δύο μεταλλικές πλάκες, γεγονός που είναι ιδιαίτερα σημαντικό καθώς όπως θα δείξουμε παρακάτω επηρεάζει αρκετά το σήμα. Σχήμα 60: Κεφαλή NFT με το καλώδιο σύνδεσης. 59
Σχήμα 61: Ραδιογραφία κεφαλής NFT Πίνακας 1.4: Χαρακτηριστικά κεφαλής NFT Εξωτερική διάμετρος 29 mm Κεφαλή NFT Μήκος Συχνότητα 15 mm 300 Hz Πίνακας 1.5:Χαρακτηριστικά πηνίων. Πηνία δέκτες Πηνίο διεγέρτης Εξωτερική ακτίνα 14.50 mm 14.50 mm Εσωτερική ακτίνα 12.50 mm 12.40 mm Ύψος 2.5 mm 3 mm Σπείρες 150 σπείρες 250 σπείρες 60
Οι σπείρες των πηνίων δεν είναι ο ακριβής αριθμός καθώς υπολογίστηκαν με βάση τον τρόπο υπολογισμού σπειρών που χρησιμοποιήσαμε παρακάτω στο Κεφάλαιο 8. Οπότε υποθέτουμε ότι οι σπείρες είναι κοντά στις τιμές που υπολογίσαμε. Σύμφωνα λοιπόν, με τα δεδομένα που πήραμε από τη ραδιογραφία (Πίνακας 1.4,1.5) προχωρήσαμε στο σχεδιασμό της κεφαλής και του σωλήνα στο Comsol (Σχήμα 62). Σχήμα 62: Κεφαλή NFT, σχέδιο στο Comsol 5.2 Σύγκριση σημάτων της κεφαλής NFT με μεταλλική θωράκιση και χωρίς αυτήν. Όπως προαναφέραμε στην κεφαλή υπάρχουν δύο μεταλλικές πλάκες εκατέρωθεν του πηνίου διεγέρτη, έτσι προχωρήσαμε στη σύγκριση των σημάτων κατά την προσομοίωση της κανονικής κεφαλής με μεταλλικές πλάκες (with shields), με τα σήματα κατά την προσομοίωση της ίδιας κεφαλής αλλά χωρίς τις μεταλλικές πλάκες (without shields). Τα ελαττώματα του σωλήνα στον οποίο θα γίνει ο έλεγχος είναι απομειώσεις πάχους 20%, 40% και 60%. 61
5.2.1 20% απομείωση πάχους (WLL) Απόλυτο κανάλι Σχήμα 63: Φανταστικό μέρος (Imaginary part) συναρτήσει της απόστασης. Σχήμα 64: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης 62
Σχήμα 65: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης Διαφορικό κανάλι Σχήμα 66: Φανταστικό μέρος (Imaginary part) συναρτήσει της απόστασης. 63
Σχήμα 67: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης Σχήμα 68: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης 64
5.2.2 40% απομείωση πάχους (WLL) Απόλυτο κανάλι Σχήμα 69: Φανταστικό μέρος (Imaginary part) συναρτήσει της απόστασης. Σχήμα 70: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης 65
Σχήμα 71: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης Διαφορικό κανάλι Σχήμα 72: Φανταστικό μέρος (Imaginary part) συναρτήσει της απόστασης. 66
Σχήμα 73: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης Σχήμα 74: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης 67
5.2.3 60% απομείωση πάχους Απόλυτο κανάλι Σχήμα 75: Φανταστικό μέρος (Imagine part) συναρτήσει της απόστασης. Σχήμα 76: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης 68
Σχήμα 77: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης Διαφορικό κανάλι Σχήμα 78: Φανταστικό μέρος (Imagine part) συναρτήσει της απόστασης. 69
Σχήμα 79: Πραγματικό μέρος (Real part) συναρτήσει της απόστασης Σχήμα 80: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης Όπως ήταν αναμενόμενο, τα σήματα που πήραμε από την προσομοίωση από την κεφαλή με θωράκιση είναι μεγαλύτερα από αυτά της κεφαλής χωρίς θωράκιση. Παρατηρούμε, ότι στο φανταστικό μέρος η διαφορά των δύο περιπτώσεων είναι μικρότερη σε σχέση με το πραγματικό μέρος όπου τα σήματα που αφορούν τη θωράκιση είναι κατά πολύ μεγαλύτερα. Αυτό φαίνεται και στο επίπεδο σύνθετης αντίστασης όπου τα σήματα έχουν μεγαλύτερη διαφορά στον άξονα των x. 70
5.3 Σύγκριση σημάτων απόλυτου καναλιού NFT και απόλυτης κεφαλής. Σχήμα 81: Απόλυτο κανάλι, NFT with shields και απόλυτη κεφαλή στα 300 Hz Σχήμα 82: Απόλυτο κανάλι, NFT without shields και απόλυτη κεφαλή στα 300 Hz 71
5.4 Σύγκριση σημάτων διαφορικού καναλιού NFT και διαφορικής κεφαλής. Σχήμα 83: Διαφορικό κανάλι, NFT with shields και διαφορική κεφαλή στα 300 Hz Σχήμα 84: Διαφορικό κανάλι, NFT without shields και διαφορική κεφαλή στα 300 72
Μέρος III Πειραματικό μέρος και αποτελέσματα. Κεφάλαιο 6: Προετοιμασία εργαστηριακού ελέγχου. 6.1 Σκοπός. Σκοπός του πειραματικού μέρους της συγκεκριμένης διπλωματικής είναι να μελετήσουμε εάν με απλές απόλυτες και διαφορικές κεφαλές δινορρευμάτων μπορούμε να ελέγξουμε σιδηρομαγνητικά υλικά και ειδικότερα σιδηρομαγνητικούς σωλήνες με πτερύγια και να πάρουμε ικανοποιητικά σήματα. Οι κεφαλές αυτές είναι κατασκευασμένες σε υψηλή συχνότητα της τάξης των 10 khz έως και 2 MHz και είναι ιδανικές για ελέγχους σε μη σιδηρομαγνητικά υλικά. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, οι σιδηρομαγνητικοί σωλήνες ελέγχονται με κεφαλές NFT που λειτουργούν σε χαμηλές συχνότητες, οι οποίες κυμαίνονται μόλις σε κάποιες εκατοντάδες Hertz (Κεφάλαιο 3.3). 6.2 Διαδικασία που ακολουθήθηκε. I. Έλεγχος με τη μέθοδο των δινορρευμάτων με διαφορικές βιομηχανικές κεφαλές (Eddy Current Testing-EDT) της General Electric. Κεφαλές υψηλής συχνότητας που χρησιμοποιούνται για έλεγχο σε μη σιδηρομαγνητικά υλικά. Ο έλεγχος θα γίνει σε σιδηρομαγητικούς σωλήνες με επικάλυψη επεξεργασμένου κασσίτερου (γαλβανιζέ σωλήνες), όπου θα κατασκευάσουμε εμείς τα ελαττώματα σύμφωνα με βαθμονομημένους σωλήνες που ήδη υπάρχουν στο εργαστήριο. II. III. Αφού παρατηρήσουμε ότι έχουμε διακριτά σήματα, για το ίδιο υλικό σωλήνων θα φτιάξουμε μία απόλυτη κεφαλή σε υψηλή συχνότητα. Πρόκειται για βαθμονομημένους σιδηρομαγνητικούς σωλήνες μεγαλύτερης διαμέτρου με πτερύγια. Οι συγκεκριμένοι σωλήνες βαθμονομήθηκαν για τον έλεγχο σε εναλλάκτη θερμότητας σε εργοστάσια της ΔΕΗ. Τέλος, θα γίνει η σύγκριση σημάτων μεταξύ της κατασκευασμένης κεφαλής και της κεφαλής NFT για τον έλεγχο στους σωλήνες με πτερύγια. 73
Κεφάλαιο 7: Μετρήσεις με βιομηχανικές κεφαλές σε σιδηρομαγνητικά υλικά. 7.1 Πειραματική διάταξη. Όργανο μέτρησης Το όργανο μέτρησης που χρησιμοποιήσαμε είναι το Multiscan MS5800 της Olympus. Σχήμα 85: Multiscan MS5800 Λογισμικό Ελέγχου Το λογισμικό ελέγχου που χρησιμοποιήσαμε είναι το Multiview. Βήμα 1 ο ) Επιλέγουμε τη μέθοδο ελέγχου (Technology) και τον εξοπλισμό (Device). Βήμα 2 ο ) Επιλέγουμε το υλικό (Material) και το πάχος υλικού (Thickness) και τα υπόλοιπα δεδομένα συμπληρώνονται αυτόματα. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, πρόκειται για σιδηρομαγνητικά υλικά που ο τύπος της κεντρικής συχνότητας f 90 δε χρησιμοποιείται. Έτσι επιλέγουμε και τη συχνότητα ελέγχου σε kηz (Frequency). Βήμα 3 ο ) Επιλογή κεφαλής (Type) Βήμα 4 ο ) Επιλογή πηνίου αναφοράς για αντιστάθμιση (Reference) και επιλογή εξόδου στο όργανο (Connector). 74
Σχήμα 86: Βήμα 1ο Σχήμα 87: Βήμα 2ο-4ο Στην περίπτωση όπου η μέθοδος ελέγχου είναι Near Field Testing τότε τα υπόλοιπα βήματα γίνονται αυτόματα, με τη συχνότητα στα 0.3 khz (Σχήμα 88). 75
Σχήμα 88: Multiview για έλεγχο NFT Κεφαλές δινορρευμάτων Οι κεφαλές που χρησιμοποιήθηκαν είναι διαφορικές κεφαλές της General Electric σε συχνότητα ελέγχου 10, 76, 190 και 400 khz. Έχουν εξωτερική διάμετρο 20 mm (Σχήμα 89). Σχήμα 89: Διαφορική κεφαλή δινορρευμάτων 76
Σωλήνες ελέγχου Κατασκευάσαμε σε γαλβανιζέ σωλήνες εσωτερικής διαμέτρου 21.7 mm ελαττώματα σύμφωνα με τους βαθμονομημένους σωλήνες με πτερύγια που ήδη υπάρχουν στο εργαστήριο (Σχήμα 90). Τα ελαττώματα είναι: 4 οπές και 60% απομείωση πάχους μικρού μήκους (WLL-short groove 60%) Σχήμα 90: Σχεδιασμός σωλήνα 77
7.2 Αποτελέσματα κατά τον έλεγχο με βιομηχανικές κεφαλές. Διαφορικό κάθετο κανάλι Σχήμα 91: Σύγκριση συχνοτήτων DIF-Y (α) 10 khz (β) 76 khz (γ) 190 khz (δ) 400 khz Σχήμα 92: Τομή σωλήνα ελέγχου 78
Διαφορικό οριζόντιο κανάλι Σχήμα 93: Σύγκριση συχνοτήτων DIF-X (α) 10 khz (β) 76 khz (γ) 190 khz (δ) 400 khz Παρατηρούμε ότι με διαφορικές κεφαλές υψηλής συχνότητας, που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο σε μη σιδηρομαγνητικά υλικά, παίρνουμε ικανοποιητικά σήματα. Όπως, ήταν αναμενόμενο όσο μεγαλώνει η συχνότητα μεγαλώνει και το πλάτος σήματος. 79
Επίπεδο σύνθετης αντίστασης Σχήμα 94: Σύγκριση της σύνθετης αντίστασης Ζ σε διαφορετικές συχνότητες (α) 10 khz (γ) 190 khz (β) 76 khz (δ) 400 khz Παρατηρούμε ότι σε όλες τις συχνότητες είναι ευδιάκριτο το σήμα και για τα δύο ελαττώματα. Το κάθε ελάττωμα ξεχωρίζει καθώς το σήμα του έχει διαφορετικό πλάτος, ενώ η φάση τους παραμένει η ίδια. 80
Κεφάλαιο 8: Κατασκευή απόλυτης κεφαλής για έλεγχο σε εναλλάκτες θερμότητας. 8.1 Μελέτη δεδομένων και σχεδίαση κεφαλής. Οι ιδιότητες των δοκιμίων που θα εξεταστούν επηρεάζουν τα δινορρεύματα, έτσι είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τον τύπο του δοκιμίου που θα εξετάσουμε. Πρόκειται για σιδηρομαγνητικούς σωλήνες με πτερύγια που χρησιμοποιούνται στους εναλλάκτες θερμότητας, οπότε υποθέτουμε σύμφωνα και με το πρότυπο ελαττώματα όπως διάβρωση (απομείωση πάχους) ή οπές (Σχήμα 95). Σχήμα 95: Βαθμονομημένοι σωλήνες με πτερύγια Πίνακας 1.6: Χαρακτηριστικά του σωλήνα Χαρακτηριστικά Σωλήνας d εξωτερική 38 d εσωτερική 32.6 Πάχος 2.7 Ύψος 81
Σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά των σωλήνων (Πίνακας 1.6) επιλέγουμε κεφαλή με εξωτερική διάμετρο d εξ=29.5 mm (Σχήμα 96) ώστε ο παράγοντας πλήρωσης να είναι αποδεκτός, δηλαδή 80%-90% (Κεφάλαιο 2.3.4). Από την εξίσωση 2.6 έχουμε: 2 2 d, 29.5 η = = d, 32.6 0.8 (8.1) Σχήμα 96: Τομή σωλήνα και κεφαλής. Στη συνέχεια, κατά τη μελέτη για την κατασκευή του πηνίου που θα τυλιχθεί γύρω από την κεφαλή, παίρνουμε ως δεδομένο από το όργανο μέτρησης του εργαστηρίου ότι το μέτρο της σύνθετης αντίστασης εισόδου με την οποία πρέπει να γίνει προσαρμογή είναι ίση με 100 Ohm. Τα όργανα μέτρησης των δινορρευμάτων λειτουργούν σε ένα εύρος σύνθετης αντίστασης 20 με 200 Ohm. Οποιαδήποτε και να είναι η τιμή σύνθετης αντίστασης ανάμεσα σε αυτά τα όρια δε δημιουργείται αισθητή διαφορά στο μέγεθος σήματος. Έτσι, μία τυπική τιμή είναι αυτή των 100 Ohm. [EDDY CURRENT] Όπως αναφέραμε στο κεφάλαιο 2.2.2 η σύνθετη αντίσταση του πηνίου είναι η συνολική αντίσταση στη ροή του ρεύματος, δηλαδή η διανυσματική πρόσθεση ωμικής και επαγωγικής αντίδρασης (Εξίσωση 2.2). Όπου, Ζ= μέτρο σύνθετης αντίστασης R= ωμική αντίσταση X L=ωL = επαγωγική αντίδραση. 2 2 Z = R + X L 82
Η επαγωγική αντίδραση οφείλεται στην τάση λόγω αυτεπαγωγής που αναπτύσσεται στα άκρα του πηνίου καθώς διαρρέεται από μεταβαλλόμενο ρεύμα. Εξαρτάται δηλαδή, από την αυτεπαγωγή L και τη γωνιακή συχνότητα ω. 2 μ0ν Α L= και ω = 2πf l (8.2, 8.3) Όπου, μ 0= η μαγνητική διαπερατότητα του κενού (μ 0=4π 10-7 ) Ν= οι σπείρες του πηνίου Α= η διατομή του πηνίου l= το μήκος του πηνίου f= η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος. Επομένως, παρατηρείται ότι αυτές είναι οι βασικές μεταβλητές από τις οποίες εξαρτάται η κατασκευή ενός πηνίου. Λαμβάνοντας υπόψη αυτά τα δεδομένα, προχωράμε στην εύρεση των βασικών αυτών μεταβλητών και στη συνέχεια με τη βοήθεια των αναλυτικών υπολογισμών του προγράμματος TEDDY θα υπολογίσουμε τη σύνθετη αντίσταση και αναμένουμε μία τιμή σύμφωνη με αυτή που αναφέραμε, δηλαδή Ζ=100 Ω. Συχνότητα εναλλασσόμενου ρεύματος. Η συχνότητα που θα επιλέξουμε είναι τα 100 kηz. Πρόκειται για αρκετά μεγάλη συχνότητα σε σχέση με αυτές που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο σε σιδηρομαγνητικά υλικά. Αναμένουμε όμως ικανοποιητικά αποτελέσματα καθώς επειδή πρόκειται για σωλήνες με πτερύγια τα ελαττώματα είναι κυρίως εσωτερικά. Όταν έχουμε τόσο μεγάλη συχνότητα υπάρχει μεγαλύτερη ευαισθησία στα επιφανειακά ελαττώματα. 83
Διατομή του πηνίου Η εξωτερική ακτίνα του πηνίου R 2 είναι ίση με την εξωτερική ακτίνα της κεφαλής για να αποφευχθεί το μεγάλο lift-off, R 2=14.75. Οι συνήθεις διαστάσεις για το ύψος H (αυλάκι) και την εσωτερική ακτίνα R 1 κυμαίνονται ως εξής: Hϵ[2,5] mm R 1ϵ[5,15] mm Έτσι, με τη μέθοδο try and error θα βρούμε τις τιμές για το ύψος και την εσωτερική ακτίνα. Υποθέτοντας τις τιμές H= 2.5 mm και R 1=13.7 mm (Σχήμα 97) υπολογίζουμε το εμβαδό από το αυλάκι θεωρώντας ότι είναι ένα μικρό παραλληλόγραμμο (Σχήμα 98). Σχήμα 97: Διαστάσεις πηνίου Σχήμα 98: Διατομή πηνίου Ε = (R - R )H 2 1 = (14.75-13.7)2.5 2.625 mm 2 (8.4) 84
Σπείρες πηνίου Υπολογίζουμε τις σπείρες πηνίου στηριζόμενοι στην παραπάνω υπόθεση για τις διαστάσεις του πηνίου. Ο χαλκός που θα χρησιμοποιήσουμε για την περιέλιξη έχει διάμετρο 0.2 mm. Για να βρούμε το εμβαδό του χαλκοσύρματος θα θεωρήσουμε ότι είναι τετραγωνικής διατομής ώστε το αποτέλεσμα να είναι πιο κοντά στην πραγματικότητα, ειδάλλως αν το θεωρούσαμε κυκλικής διατομής θα υπολογίζαμε τις εξειδανικευμένες σπείρες πηνίου που απέχουν από την πραγματικότητα. Οπότε: Άρα οι σπείρες του πηνίου υπολογίζονται: Εχαλκού β υ 0.2 0.2 0.04 mm (8.5) Ετετρ 2.625 Ν = = 65 σπείρες (8.6) Ε 0.04 χαλ 2 Εμπειρικά όμως ισχύει ότι οι σπείρες που χωράνε τελικά στην πράξη είναι λίγο λιγότερες από τους υπολογισμούς. Στη συνέχεια, εισάγουμε αυτά τα αποτελέσματα στο υπολογιστικό πρόγραμμα TEDDY. Σε περίπτωση που η σύνθετη αντίσταση δεν υπολογισθεί 100 Ω τότε θα πρέπει να επαναληφθεί η διαδικασία με νέα υπόθεση δεδομένων. Σχήμα 99: Υπολογισμός σύνθετης αντίστασης στο TEDDY 85
Παρατηρούμε από το Σχήμα 99 ότι οι τιμές που υποθέσαμε είναι ικανοποιητικές καθώς η αντίσταση που υπολογίσθηκε είναι περίπου ίση με 100 Ω. Η μόνη διαφορά είναι ότι βάλαμε 55 σπείρες για να πάρουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα κάτι που είναι κοντά στην υπολογίσιμη τιμή. Σε αυτό το σημείο να αναφέρουμε ότι το TEDDY υπολογίζει την τιμή της επαγωγικής αντίδρασης (Inductive reactance) X L. Η σύνθετη αντίσταση εξαρτάται και από την ωμική αντίσταση R του χαλκοσύρματος, η οποία αποτελεί αμελητέα ποσότητα όπως θα δείξουμε παρακάτω. Από την εξίσωση 2.2 έχουμε: ωl 100- R 2 Η ωμική αντίσταση υπολογίζεται από τον τύπο: l R= ρ s (8.7) Όπου, l= το μήκος του σύρματος του πηνίου ρ= ειδική αντίσταση του υλικού του χαλκοσύρματος= 1.724 10-8 Ω s= η διατομή του χαλκοσύρματος= πr 2 = 0.0314 mm 2 Μήκος σύρματος του πηνίου Για να το υπολογίσουμε θα πάρουμε μία μέση τιμή από τη σπείρα με τη μικρότερη περίμετρο και από αυτή με τη μεγαλύτερη περίμετρο, άρα το μήκος της μίας σπείρας είναι: l ΜΟ lmin lmax 2 2πRmin 2πRmax 2 6.28(13.7 14.75) 89.333 mm 2 (8.8) Οπότε, το μήκος όλων των σπειρών του πηνίου υπολογίζεται: l = l Ν Συν ΜΟ 89.333 55 4913.315 mm (8.9) 86
Τελικά από την εξίσωση 8.7: 8 4913.315 R 1.724 10 2.7 Ω 0.0314 Αφού έχει γίνει η μελέτη και η σχεδίαση της κεφαλής (Σχήμα 100), παρουσιάζονται όλα τα χαρακτηριστικά στον πίνακα 1.7 και θα προχωρήσουμε στην κατασκευή της. Πίνακας 1.7: Χαρακτηριστικά Σωλήνα, Κεφαλής, Πηνίου Χαρακτηριστικά Σωλήνας Κεφαλή Πηνίο d εξωτερική 38 29.5 29.5 d εσωτερική 32.6 27.4 Πάχος 2.7 2.1 Ύψος 2.5 Σχήμα 100: Σχεδίαση κεφαλής δινορρευμάτων 87
8.2 Κατασκευή κεφαλής δινορρευμάτων. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε είναι ο μηχανολογικός τόρνος ALFA MACHINERY AL700X280V και μία περιελίκτρια. Σχήμα 101: Μηχανολογικός τόρνος που χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή. Σχήμα 102: Περιελίκτρια πηνίων. 88
Σχήμα 103: Κατασκευή κεφαλής και πηνίου Σχήμα 104: Κατασκευή σύνδεσης κεφαλής. 89
Κεφάλαιο 9: Σύγκριση αποτελεσμάτων κατά τον έλεγχο με απόλυτη και με NFT κεφαλή. Σχήμα 105: Απόλυτη και NFT κεφαλή 9.1 Έλεγχος σωλήνων και αποτελέσματα. Ο έλεγχος θα γίνει στους σιδηρομαγνητικούς σωλήνες με πτερύγια (Σχήμα 95) για τη διάμετρο των οποίων κατασκευάστηκε η κεφαλή. Τα σφάλματα που έχουν οι σωλήνες είναι μικρή απομείωση πάχους με μεγάλο μήκος (μεγάλο αυλάκι), μεγάλη απομείωση πάχους με μικρό μήκος (μικρό αυλάκι) και οπές. Θα γίνει η σύγκριση της απόλυτης κεφαλής στη συχνότητα που τη κατασκευάσαμε, δηλαδή στα 100 khz, και της βιομηχανικής κεφαλής NFT που λειτουργεί με κεντρική συχνότητα τα 0.3 khz. 90
9.1.1 Σφάλμα: Απομείωση πάχους 20%, μεγάλο αυλάκι μέχρι την έξοδο. (long groove) Σχήμα 106: Σωλήνας με πτερύγια, σφάλμα: 20% long groove Επίπεδο σύνθετης αντίστασης Σχήμα 107: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης (α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι 91
Κάθετο κανάλι Σχήμα 108: Κάθετο κανάλι (α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι 9.1.2 Σφάλμα: Απομείωση πάχους 60%, μικρό αυλάκι (short groove). Σχήμα 109: Σωλήνας με πτερύγια, σφάλμα: 60% short groove 92
Επίπεδο σύνθετης αντίστασης Σχήμα 110: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης (α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι Κάθετο κανάλι Σχήμα 111: Κάθετο κανάλι (α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι 93
9.1.3 Σφάλμα: Οπές (Holes). Ο έλεγχος έγινε σε σωλήνα με τέσσερις οπές. Δύο μόνες τους με διάμετρο 3.5 mm στα άκρα του σωλήνα και δύο στη μέση του σωλήνα αντιδιαμετρικά με διάμετρο 4 mm η κάθε μία. Σχήμα 112: Σωλήνας με πτερύγια, σφάλμα: 4 οπές Επίπεδο σύνθετης αντίστασης Σχήμα 113: Επίπεδο σύνθετης αντίστασης (α) Απόλυτη κεφαλή, 100 khz (β) NFT κεφαλή, 0.3 khz, διαφορικό κανάλι (γ) NFT κεφαλή, 0.3 khz, απόλυτο κανάλι 94