SZERKEZETEK INTEGRITÁS VIZSGÁLATÁNAK ESZKÖZE AZ AKUSZTIKUS EMISSZIÓ

Átírás

1 SZERKEZETEK INTEGRITÁS VIZSGÁLATÁNAK ESZKÖZE AZ AKUSZTIKUS EMISSZIÓ 1. rész: FELKÉSZÜLÉS, MŰSZEREZÉS GERÉB János okl. villamosmérnök, AT2 Geréb és Társa Kft. SZÜCS Pál okl. fizikus, AT3 ORSZAK Bt. Az élet egyre több területén rutin eljárásként, szabványosítottan alkalmazzák az akusztikus emissziós technikát (AT) szerkezetek integritásának, azaz biztonságos üzemeltetésre való alkalmasságának ellenőrzésére. A szerkezetek integritása szempontjából a legfontosabb akusztikus emissziós (AE) forrás a diszlokáció mozgás, ami fellép a rugalmas tartományból való kilépés után, a képlékeny alakváltozáskor (deformáció), illetve repedés kialakulás, repedés növekedés során a repedéscsúcs előtti képlékeny zóna növekedésekor. A konkrét vizsgálat alkalmával meg kell ismerkedni a feladattal: milyen méretű, milyen geometriájú a szerkezet. Milyen gyártási és szerelési technológiával készült. Milyen gyártási és szerelési technológiával készült. Milyen környezetben, milyen körülmények között üzemeltetik. Mi a szerkezeti anyaga. Ennek az anyagnak egy darabját kell bevizsgálnunk. Ha nem ismert, akkor meg kell mérni a szilárdsági és képlékenységi jellemzőit. Fel kell térképezni az akusztikus emissziós tulajdonságait. A szabványostól eltérő, a szakító kísérlet és az akusztikus emissziós mérés követelményeit egyaránt kiszolgáló próbatesteket kell készíteni. A szakító próbatestek fejrészének megfolyatása nyomással Natúr, revés felületű próbatest Tisztított felületű próbatest

2 A szakító vizsgálat során meghatározható, hogy a terhelés melyik szakaszában mennyire aktív (események gyakorisága) és mennyire intenzív (események energiája) az akusztikus emissziós tevékenység. Az első információt a műszer által rögzített terhelés-idő és összes beütés-idő diagram, illetve az észlelt beütések energiájának (amplitúdójának) differenciális eloszlása adja. Terhelés-idő (zöld) és összes beütés-idő (piros) diagram Beütések energiájának differenciális eloszlása A kiértékelés során a műszer által mért különböző paraméterek változását vizsgáljuk. Az egyik legelterjedtebb módszer, külön-külön értékelni a terhelés-növekedés, állandósult terhelés, csökkenő terhelés során észlelt beütéseket, eseményeket és azok különböző paramétereit. Ha azonos léptékben ábrázoljuk az egyes szakaszokban rögzített adatokat, akkor az aktivitás és az intenzitás-változásokról egyszerre kapunk információt. A rugalmas szakaszban beütést észleltünk. A kétpúpú eloszlás két különböző forrásra utal.

3 A folyás során mintegy további beütés jelentkezett, a jellemző amplitúdó növekedett. Az egyenletes nyúlás és a kontrakció szakaszában közel beütés jelentkezett, és ismét megjelent a kétpúpú eloszlás. Csak most van egy 60dB-t meghaladó nyúlványa is. Az ilyen vizsgálatok adnak alapot és segítséget ahhoz, hogy a helyszíni mérésnél megfelelő szűrőket alkalmazzunk, el tudjuk választani a rugalmas tágulás során fellépő csúszások jeleit, ki lehessen szűrni a szigetelés vagy festett védőréteg pattogzását a fémfizikai (maradó alakváltozás, repedéskeletkezés) források jeleitől. Még rugalmasan tágul az edény A felhasadt palást az 50%-os kikönnyítésnél

4 A laboratóriumi kísérletek gondos feldolgozásával lehet megalapozni a tényleges in situ vizsgálatok kiértékelését. De még sok megoldandó dolgunk van a műszerválasztásnál is a helyszíni előmérések (csillapodás, terjedési sebesség) során a tényleges vizsgálatig. Most már tudjuk, mi a feladat. Műszert kell választani hozzá. Mit várunk el a műszertől? Feleljen meg az érvényes szabványoknak és előírásoknak. Kezeljen le a feladatnak megfelelő számú akusztikus csatornát (mérőláncot), mérje és rögzítse az összes lényeges AE paramétert. Legyen alkalmas a terhelési és környezeti paraméterek (nyomás, hőmérséklet, elmozdulás, stb.) mérésére. Segítse elő a telepített mérőrendszer minél alaposabb ellenőrzését és tesztelését, segítse a hang terjedési tulajdonságainak meghatározását. Kényelmesen lehessen dolgozni vele, azaz legyen kevés helyszíni kezelőszerve, legyen könnyen hordozható, telepíthető, legyen táplálható minél több alternatív forrásból. Tegye lehetővé a mérés minél teljesebb feldolgozását: segítse elő a zajok és zavarok kiszűrését, a hasznos jelek sokoldalú feldolgozását. A mérési adatokat folyamatosan továbbítsa egy számítógéphez, a kétoldalú kapcsolat legyen megbízható és elegendően nagy sebességű. A mérőrendszer elválaszthatatlan összetevője a számítógépen futó szoftver. Fontos, hogy ez a műszertől érkező adatokat eredeti formájában azonnal elmentse valamilyen adathordozón, lehetővé téve az azonnali kiértékelésen túl a későbbi, ismételt feldolgozást is. Szükség van az adatok lehető legszélesebb körű feldolgozására, szűrésére és kombinálására, a közöttük lévő összefüggések feltárására, az eredmények táblázatos és grafikonos ábrázolására. Az AE csatornák legyenek egymáshoz rendelhetők, csoportosíthatók, az összetartozó jelek alapján meg lehessen határozni az AE források helyét, valamint jellemezni a források veszélyességét. Legyen mód a kiértékelés alapján, szükség esetén, vészjelzés kiadására, esetleg automatikus beavatkozásra. A teljes konfiguráció legyen elmenthető és később visszahívható. Mindezeken túl a mérés során a szoftver támogassa a hang terjedési tulajdonságainak meghatározását az ellenőrzött szerkezetben, segítse a telepített mérőrendszer minél alaposabb ellenőrzését és tesztelését. Végezetül az is hasznos, ha a szoftver a mérési jegyzőkönyv összeállításában is segítséget nyújt. Egy teljes rendszer alkotórészei

5 A fenti összefoglaló valamennyi pontjának részletes kifejtésére most nincsen mód, de két összetevőre azért érdemes részletesen kitérni: ezek a detektorok és a kábelek. Az akusztikus emisszió fizikai jelenségét az AE érzékelő alakítja át az AE berendezés számára értelmezhető elektromos jellé. Ez a berendezés kritikus eleme: ha ez nem megfelelő, akkor az egész mérés értelmét veszti. AE detektorok A számtalan AE detektort sokféle szempont alapján csoportosíthatjuk. Az alkalmazott technológia alapján a leggyakoribb a piezo rezgésérzékelő, de létezik más (pl. lézeres) detektor is. Az üzemi frekvenciatartomány alapján a piezo detektorok között vannak rezonancia típusú alacsony-, közepes- és magas frekvenciásak, valamint szélessávúak is. A szélessávú érzékelők érzékenysége általában valamivel kisebb, mint a rezonancia típusúaké, ezeket leginkább kutatási és oktatási célból használják. A piezo érzékelők előnye még, hogy fordított üzemmódban is használhatók, vagyis a detektorra feszültségimpulzust adva, mesterséges jelet lehet velük generálni. Ez a tulajdonság nagyon előnyös a telepített mérőrendszer ellenőrzéséhez, teszteléséhez. Minthogy az AE jelek dinamikája nagyon nagy lehet, és a mikrovoltos jelektől a több tíz vagy száz millivoltosokig terjedhet, a kisszintű jelek erősítéséhez előerősítőre is mindig szükség van. Ez lehet az érzékelőn kívüli, külön egység a detektortól legfeljebb cm-re, vagy esetleg a kábel érzékelő felőli végébe építve, de lehet közvetlenül a piezo kristály mellé, a detektor házába is beépítve. Ez utóbbi megoldás a legjobb a zavaró zajok elleni védelem szempontjából, de nem minden esetben alkalmazható. A jó előerősítő nem akadályozza a detektor fordított üzemmódját sem. Kisméretű próbatestek vizsgálatánál sokszor miniatűr AE érzékelő kell, de ezek érzékenysége kisebb, mint a normál méretűeké, és nincsen bennük előerősítő. A normál ipari hőmérséklettartományú érzékelőkön kívül bizonyos alkalmazásoknál szükség lehet speciális alacsony-, illetve magas hőmérsékleteket is elviselő detektorokra. Ezeknél az előerősítő szintén nem lehet a detektorral egybeépítve. Ilyen alkalmazásoknál alternatív megoldás lehet hullámvezető beiktatása a vizsgált objektum és az AE érzékelő közé. A detektor felhelyezésekor mindig csatolóanyagot is szükséges használni, a rögzítéshez valamilyen mechanikai módot kell találni esetleg a csatolóanyag lehet egyben ragasztó is (leginkább fixen telepített, folyamatos monitoring esetén), vagy ferromágneses felületekhez mágneses leszorítót lehet bevetni. Legegyszerűbb, ha a mágnes az előerősítőhöz hasonlóan egyenesen a detektorba van beépítve.

6 Előerősítő a kábelben Az akusztikus-emissziós mérések során általában több AE érzékelőt használunk. Mivel a detektorok legfontosabb paraméterei (érzékenység, saját zaj, frekvencia tartomány) nem lehetnek teljesen egyformák minden példány esetén, fontos, hogy a paraméterek szórása a lehető legkisebb legyen. Amikor valaki AE érzékelő beszerzésére adja a fejét, a fentieken és a költségeken kívül még további szempontokat is figyelembe kell vennie. Ilyenek: a detektor mérete; a csatlakozó típusa, IP-védettsége; irányérzékenység; az előerősítő tápfeszültsége, áramigénye, zajvédettsége, saját zajszintje és dinamikatartománya; tesztelő impulzusok használatának lehetősége, a tesztelő impulzusok legnagyobb megengedett amplitúdója. Lényeges lehet a szikramentességet, a robbanásveszélyes környezetben való alkalmazhatóságot igazoló típusvizsgálati jegyzőkönyv is. A tavalyi, Hajdúszoboszlón végrehajtott közös mérések során a tartály méretének és anyagának megfelelően az amúgy is legnépszerűbb közepes frekvenciás (kb. 150 khz rezonanciájú) piezo érzékelőket vette igénybe mindenki beépített előerősítős aktív, illetve külső előerősítőt igénylő passzív verzióban. A rögzítéshez mindenki mágnest használt, leginkább külső mágneses leszorító formájában, de előfordult beépített mágnessel ellátott detektor is. A kábelezés minden elektromos berendezés leggyengébb láncszeme. A sokcsatornás AE berendezések minden AE csatornájához tartozik legalább egy koaxiális kábel, mely az AE érzékelőt köti össze a mérőműszerrel. A műszerezés része még a környezeti paramétereket a műszerhez vezető kábel vagy kábelek, a tápkábel, valamint a mérőműszert a vezérlő/adatgyűjtő számítógéppel összekapcsoló informatikai kábel is. Első megközelítésben a kábelezés a rendszer legegyszerűbb, problémamentes eleme, a gyakorlatban mégis ezzel adódik a legtöbb gond. A fixen telepített, folyamatos működésű AE monitoring rendszereknél még viszonylag kedvező a helyzet. A csatlakozókat nem oldják-csatlakoztatják újra meg újra, a kábeleket nem mozgatják, hajlítgatják, hanem azok általában védőcsőben futnak. Mégis, éppen a hosszú, mozdulatlan állapot miatt a csatlakozókon megjelenhetnek a korrózió jelei, és kontakthiba léphet fel. Ha a kábel akár csak egy szakaszon nincsen a védőcsőben, így éri a csapadék és a napsugárzás, az ultraibolya sugarak a nem megfelelő kábelt károsítják. Különösen erős lehet a környezetkárosító hatása tengervíz, agresszív vegyipari gázok, koptató porok jelenléte esetén. Nem műszaki kérdés ugyan, de meg kell említeni, hogy a környezeti hatásoknak ellenálló, kiváló minőségű csatlakozók és kábelek ára az eget verdesi.

7 Az (amúgy a magyarországi alkalmazásokra jellemző) időszaki vizsgálatoknál a hosszú koaxiális kábelek kábeldobokra vannak feltekercselve. Ezeket a nehéz dobokat a helyszínre kell szállítani, létrán/állványzaton fel- és lecipelni, le- és feltekerni, össze- és szétcsatlakoztatni, majd a vizsgálat után összeszedni, letisztogatni, ellenőrizni, javítani. Mindezek során a kábel gyakran megtörik (az a koaxiális kábel halála), a csatlakozó vízzel, sárral, porral megy tele, jó esetben talán nem lépnek rá, vagy nem szakítják le. Kábeldobok Milyen módon lehet ezeket a veszélyeket csökkenteni? 1. A koaxiális kábelek számának csökkentése. Az AE érzékelőt a mérőműszerrel összekötő koaxiális kábelekre mindenképpen szükség van. Ha az érzékelőnek benövesztett kábele van, vagy külső előerősítőt használunk, akkor az már a második bár rövid kábel. Olyan berendezéseknél, ahol a főerősítő nem a mérőműszer része, hanem külön egység, mint a Defectophone és a régebbi Sensophone berendezések esetében, ezek a főerősítők is egy-egy koaxiális kábellel csatlakoznak. Ez a csatornánkénti plusz kábel az ára annak, hogy az érzékelők és a mérőműszer a lehető legtávolabbra lehessenek egymástól Használjunk olyan berendezést, melynek főerősítői a műszerbe vannak beleépítve Használjunk olyan érzékelőt, melybe az előerősítő is bele van építve Laboratóriumi méréseknél, ahol a (nem nagy számú) érzékelő és a mérőműszer egészen közel helyezhetők el egymáshoz, amennyiben az előerősítős detektorainknak elegendően hosszú beépített kábele van, minden egyéb koaxiális kábel kiiktatható.

8 AEC detektorral, lemezen 2. A koaxiális kábelek hosszának csökkentése. Ha a műszert a vizsgálandó objektum közelébe lehet vinni, a koaxiális kábelezés hossza radikálisan csökkenthető. Létezik olyan berendezéscsalád, amelynek viszonylag kis/közepes csatornaszámú, önálló moduljaiból akár hatalmas vizsgálóberendezés is összeállítható. Az egyes modulok pedig már sokkal kevesebb (és olcsóbb) informatikai (Ethernet) kábelekkel köthetők össze. Ezek az interfész kábelek a modulok táplálását és összeszinkronizálását is megoldják. 10 db. 16-csatornás és 2 db. 4-csatornás modul 3. A kábelek és a csatlakozók védelme. Extra költségekkel jár, de a munka közben felmerülő hibák számának csökkentésére vezet, ha erősebb, masszívabb kábeltípust választunk. Robusztus kivitelű csatlakozók a terepi munka során biztonságosabbak, mint a finom, érzékeny, inkább laboratóriumi körülményekre tervezett típusúak. A hermetikus kivitelű csatlakozók növelik az üzembiztonságot. Hasznos lehet a törésgátló, valamint a szabadon álló csatlakozót védő zárókupak alkalmazása is. A felszerelés során gyorsítja a munkát, ha a kábelek azonosító számokkal és színjelöléssel is el vannak látva. 4. Rézkábel helyett rádiós összeköttetés alkalmazása. 4.1 Nagy áttörést jelentene, ha az AE érzékelőket kábeles összeköttetés helyett rádiós úton tudnánk összekapcsolni a mérőműszerrel. Létezik erre irányuló megoldás, azonban ez az út egyelőre megfizethetetlenül drága, és új problémákkal is együtt jár. Meg kell oldani az autonóm rádiós detektorok táplálását akkumulátorokkal, esetleg napelemekkel, biztosítani kell a kétirányú (teszt üzemmód, konfiguráció!) rádiós kapcsolatot a műszer oldalán is, gondolni kell a zavartalan vételi viszonyokra és az esetleges engedélyek beszerzésére is A környezeti paraméterek kábeleinek kiváltása rádiós összeköttetéssel sokkal egyszerűbb feladat, erre már vannak ténylegesen használható megoldások. A kábelezés egyszerűsödésének és a rádiós összeköttetés extra költségeinek egyenlege azonban így sem eredményez feltétlenül megtakarítást.

9 Az informatikai kábel helyett a WIFI bevetése már ténylegesen reális alternatíva. Egy olcsó WIFI adapterrel (megoldva annak tápellátását) a ma már szinte minden vezérlő számítógépben (notebookban) rendelkezésre álló WIFI interfész elérhető. Hasonlóképpen, mobil(telefon) interfésszel és kijutással a világhálóra a számítógép a világ bármely pontján elhelyezhető. Az informatikai láncba egyéb elemek (adatátviteli kapcsoló, útvonal választó, média konverter) is beiktathatók. Ez a megoldás új, látványos alkalmazási lehetőségeket is nyit A 2. pontban említett berendezéscsalád egyes moduljai közötti Ethernet kábel kiváltása 2 db. WIFI adapter alkalmazásával szintén lehetséges, de biztosítani kell a láncban következő modul táplálását. További elemek ebben az informatikai kapcsolatban már nem szerepelhetnek. A modulok órajelének összeszinkronizálásához elengedhetetlen a modulok GPS opciójának megléte. AED-404 készülék WIFI adapterrel és GPS antennával Amikor valaki AE berendezés beszerzésére szánja el magát, a kábelezés témakörében a fentieken és a költségeken kívül még néhány további szempontot is figyelembe kell vennie. Ilyenek: a koaxiális kábelek egyedi hossza a detektorok koordinátáinak és a vizsgált objektum geometriájának, helyi viszonyainak ismeretében, a kiegészítők: kábeldobok, érzékelő leszorító mágnesek és kábelrögzítők szükségessége. Fontos lehet a kábelek zavarvédettsége, a koaxiális és informatikai kábeleken továbbított jelek csillapodása, a tápfeszültséget is biztosító kábeleken az esetleges feszültségesés. A jelen mérésnél mindenki a saját berendezését használta annak szokásos tartozékaival. A felszerelés során előjöttek a szokásos problémák: a hosszú kábelek néhol összekeveredtek, összegabalyodtak. A mérés végén természetesen eleredt az eső, a nagy kapkodásban néhányan a kábeleket csak egy nagy kazal formájában tudták összeszedni. Az egyik résztvevő ugyanakkor rendelkezett a pontban említett felszereléssel is. A hajdúszoboszlói mérést így részben külföldről, Kijevből vezérelték, ugyanakkor Ogyesszában és a helyszínen is valós időben figyelemmel kísérhették. Irodalomjegyzék 1. MSZ EN :2001 magyar szabvány 2. MSZ EN :2011 magyar szabvány 3. Szücs P., Péter A., Pellionisz P. és mások: Akusztikus emissziós anyag- és szerkezetvizsgálatok. Szerk.: Dr. Pellionisz Péter. GTE Budapest, 1990, 1992.

10 4. Fehérvári Attila, Péter Attila: Akusztikus emisszió alkalmazása törésmechanikai vizsgálatoknál. GÉP XXXI. 7. (1979) pp Geréb J., Pellionisz P., Székely Gy.: Az akusztikus emissziós folyamat- és minőségellenőrzés új eszköze: a bővített Defectophone. GÉP, XI. évf. 9. (1988) pp Geréb J., Székely Gy., Tábori J.: Új (?!) hazai akusztikus-emissziós mérőműszer: Sensophone. IV. RAKK, Eger, Geréb János: A hazai akusztikus-emissziós műszerezés három nemzedéke. VI. RAKK, Eger, MSZ EN Roncsolásmentes vizsgálat Akusztikus emisszió. Általános alapelvek. 9. MSZ EN Roncsolásmentes vizsgálat Akusztikus emisszió. Fémből készült nyomástartó berendezések vizsgálata a nyomáspróba során. Az AE-források síkbeli helyzete 10. Szűcs Pál: Az akusztikus emisszió története Anyagvizsgálók lapja III. (1993.) o.