Nagynyomású gumitömlõk vizsgálata röntgen computer tomográf mérésekkel

Átírás

1 Nagynyomású gumitömlõk vizsgálata röntgen computer tomográf mérésekkel 81 A nagynyomású olajipari tömlõket széleskörûen használják mind a szárazföldi, mind pedig az offshore fúrásoknál. A tömlõk extrém igénybevétele miatt különösen fontos ezek belsõ szerkezetének roncsolásmentes módszerekkel történõ vizsgálata. A ContiTech Rubber Industrial Kft. és a Kaposvári Egyetem Diagnosztikai Intézet szakembereinek összefogásával sikerült kidolgozni egy, a röntgen computer tomográfos (CT) mérési technológián alapuló új vizsgálati módszert és erre épülõ értékelési eljárást a tömlõk belsõ szerkezetének roncsolásmentes vizsgálatához. Az így elkészíthetõ numerikus modell alapját képezheti egy, az eddigieknél reálisabb FEM-szimulációnak. A kifejlesztett eljárások különösen az alábbi területeken jelenthetnek segítséget a tömlõk belsõ szerkezetének vizsgálatában: az acélsodronyok geometriai paramétereinek 3D eloszlása (felvezetési hibák stb.), 3D geometriai vizsgálatok a tömlõ egyes alkotóelemeiben, a tömlõ alkotóelemeinek geometriai változása a nyomáspróba alatt, szerkezeti hibák kimutatása és ezek okainak feltárása, gyártástechnológia fejlesztéshez információ szolgáltatás. High-pressure oil-industrial hoses are used in broad range both at continental and offshore drills. Due to the extreme usage of the hoses it is especially significant to examine the inner structure of these by using destruction-free methods. By the co-operation of experts from ContiTech Rubber Industrial Ltd. and the Diagnostics Faculty of the University of Kaposvár a new research method based on x-ray computer tomography (CT) measurement technology has been developed, and to this an evaluation procedure for the destruction-free examination of the inner structure of the hoses. The numeric model produced this way could be the starting point to an FEM simulation unprecedented so far. The procedures developed can mean help especially in the following fields in the inner examination of the hoses: 3D distribution of the geometric parameters of the steel ropes (driving errors, etc.), 3D geometric examinations in single elements of the hose, a tömlõ alkotóelemeinek geometriai változása a nyomáspróba alatt, szerkezeti hibák kimutatása és ezek okainak feltárása, gyártástechnológia fejlesztéshez információ szolgáltatás Die Hochdruck-Gummischläuche für die Ölindustrie werden ausgebreitet verwendet sowohl bei den Land-, als auch bei den Offshore- Bohrarbeiten. Wegen der extrem hohen Belastung der Schläuche ist es besonderes wichtig, ihr inneres Gefüge mit zerstörungsfreien Methoden zu prüfen. Durch Zusammenschluss der Spezialisten der ContiTech Rubber Industrial GmbH und des Institutes für Diagnostik der Universität Kaposvár ist es uns gelungen, eine neue, auf der Röntgen Computer Tomograph (CT) Messtechnologie basierende Prüfmethode und das sich darauf aufbauende Auswertungsverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung des inneren Gefüges der Schläuche zu erarbeiten. Das auf diese Weise machbare numerische Modell kann zur Grundlage einer, gegenüber den bisherigen Versuchen realer FEM- Simulation dienen. Die entwickelten Verfahren können besonderes auf nachstehenden Gebieten bei der Prüfung des inneren Gefüges der Schläuche dienlich sein: 3D- Verteilung der geometrischen Parameter der Stahldrahtseile (Aufführungsfehler, usw.), 3D- Prüfungen in bestimmten Bestandteilen des Schlauchs, Geometrische Änderungen der Bestandteile des Schlauchs bei der Druckprobe, Darstellen der Fehler im Gefüge, und Aufschließen deren Ursachen, Informationen erteilen zur Entwicklung der Fertigungstechnologie. Bevezetés A Continenetal ContiTech vállalatcsoporthoz tartozó szegedi ContiTech Rubber Industrial Kft. az olajfúrásban, kutatásban, kitermelésben alkalmazott gumi- és kompozit tömlõk vezetõ fejlesztõje. A céget kiváló innovációs készségének köszönhetõen világszerte ismerik és elismerik. Az elmúlt évtizedeket a fejlesztések jellemezték mind a gyártástechnológia, mind a minõség javításának területén. Ennek eredménye visszatükrözõdik abban is, hogy a ContiTech Rubber Industrial Kft. az olajipar területén alkalmazott tömlõk minden releváns tanúsítását megszerezte a szakmában meghatározó API (American Petroleum Institute) elõírásoknak való megfelelõségérõl. A magas színvonalú minõségbiztosítás és gyártmányfejlesztés megköveteli olyan méréstechnológiák bevezetését, amelyek termékek belsõ szerkezetét képesek megvizsgálni anélkül, hogy azokat roncsolnák. Különösen igaz ez a nagynyomású olajipari tömlõk vizsgálatára, melyeket extrém körülmények között használnak, így belsõ szerkezetüknek különleges követelményeknek kell megfelelni. A tömlõk non destruktív vizsgálatára a ContiTech Rubber Industrial Kft. megfelelõ partnert talált a Kaposvári Egyetem Diagnosztikai Intézetében, ahol 1999 óta foglalkoznak az élettelen anyagok elsõsorban kõzetek röntgen computer tomográfos (CT) vizsgálataival. Az elsõ teszt kísérletek 2006-ban kezdõdtek el, és ezek kedvezõ eredményei alapján részletesebb mérési programot tudtak elvégezni. Az alábbiakban ismertetjük a CT-mérés sajátosságait és az ígéretesnek tûnõ technológia fejlesztésének elsõ eredményeit. A CT-berendezés felépítése és mûködése Fõbb részek (1. ábra): Gantry Vizsgáló asztal Nagyfeszültségû generátor Vezérlõpult Mu anyag 2009.indd 81

2 82 MÛANYAG- ÉS GUMIIPARI ÉVKÖNYV ábra. A CT-berendezés felépítése Számítógép a számítógép két fõbb részre osztható: Imager Host. A host computer feladata a mûködéshez szükséges programok futtatása (operációs rendszer, felhasználói programok stb.). Az imager dolgozza fel a gantrybõl érkezõ jeleket, elvégzi a szükséges korrekciókat, megjeleníti a képet, és elvégzi a másodlagos feldolgozások számításait (3D rekonstrukció, rekonstrukció nyersadatokból, ismételt képmegjelenítés). A vezérlõpult. A kezelõ innen irányítja a méréseket és utólagos feldolgozásokat. Az imager által kiszámított képek a vezérlõpult képernyõjén jelennek meg. A nagyfeszültségû generátor. A különbözõ vizsgálatoknál alkalmazott energiát biztosítja a röntgencsõ számára. A vizsgáló asztal. A vizsgálati objektum mm-es pontosságú pozícionálását végzi a vizsgálat során A gantry. Itt található a röntgencsõ és a detektorok, amelyek egymással szemben helyezkednek el, és az adatgyûjtés során 360 fokban körbefordulnak a gantryben. A Siemens Somatom Plus S 40 CT-ben egy nagyteljesítményû kétfókuszú forgóanódú csõ található. Vele szemben 768 darab Xe gázdetektor van. A detektorok jele erõsítés és analóg/ digitális átalakítás után szénkeféken keresztül jut ki a gantry forgó részébõl, majd egy optocsatolón keresztül optikai kábel juttatja a jelet az imagerbe. Az adatfeldolgozás során kapott kép minõsége sok tényezõtõl függ. A megjelenített kép nem valódi leképezésbõl adódik, mint mondjuk a hagyományos röntgenfelvételnél vagy a fényképezõgépekben, hanem elektromos jelekbõl az imager számítja ki. A röntgensugár, áthaladva a különbözõ szöveteken és anyagokon, gyengül, az anyagok sûrûségétõl függõen különbözõ mértékben nyelõdik el. Az elnyelõdés függ az adott anyag tulajdonságától. Az anyag sugárelnyelési képességét a sugárelnyelõdési együtthatóval adhatjuk meg. Ha az energiaközlés konstans, akkor a sugár elnyelõdése kizárólag annak az anyagnak a tulajdonságaitól függ, amin áthalad. Ez a gyengített sugárzás éri el a detektorokat, amelyek a sugárzás intenzitásától függõ elektromos jeleket hoznak létre. Az adatgyûjtés során, ahogy a csõdetektor rendszer körbefordul a vizsgált tárgy körül, több száz vagy ezer mérést végez, és a beérkezett adatokat mátrixba rendezi. Az adatgyûjtés végén az imager kiszámítja a mátrix pontjainak az értékét, majd ezekhez az értékekhez amelyek tulajdonképpen az adott pontok sugárelnyelési együtthatói hozzárendel egy skálát. Ez az ún. Hounsfield skála (Hounsfield Nobel díjat kapott a CT kifejlesztéséért), melyek értékeit Hounsfield egységeknek (Hounsfield Unit HU) nevezzük. A mátrix különbözõ értékeihez a Hounsfield skála megfelelõ értékeit hozzárendelve, és ezt értékarányosan kiszínezve, egy általunk definiált skála szerint megjeleníthetõvé válik egy kép. A CT kétféle üzemmódban mûködtethetõ. Egy adott mérésre vonatkozó utasítással vagy egy szeletet, vagy pedig egy adott hosszon elõzetesen kijelölt szeletsorozatot készít. A szelet vastagsága az általunk használt gépeknél 1, 2, 3, 5 és 10 mm lehet. A szeletre vonatkozó adatmátrix mérete 512 x 512. Az adott adatmátrixra vonatkozó felbontást több tényezõ befolyásolja. Az általunk végzett feldolgozásokban, egy adott mérési szeletben a mérési cellák mérete 0,1 mm x 0,1 mm x 1 mm-es nagyságrendû a legnagyobb felbontásban. Egy adott szelet elkészítésére vonatkozó ciklus (mérési) idõ másodperces 0,1 másodperces nagyságrendû. Tehát a céltárgyról szeletsorozatot készítve egy olyan háromdimenziós rácshálót kapunk, amely celláinak méretét a kijelölt szelet (SCAN) vastagság és a felbontás határozza meg. A cellára vonatkozó mért adat egy Hounsfield skálára kalibrált röntgen elnyelõdési érték. A vizsgáló asztal elõtolása milliméteres pontosságú, pozicionálása szoftveresen programozható. Ha a céltárgy rögzítve van az asztalon, az oda vissza pozicionálás nincs hatással a mérési eredményre és pontosságára. Az anyagvizsgálati CT-mérések értelmezésének alapjai CT-vizsgálatok segítségével a vizsgálati anyagokat eredeti állapotukban (akár egy zárt tokban), roncsolásmentesen lehet megvizsgálni. A vizsgálatok során lehetõségünk van arra is, hogy dinamikus (idõben változó) rendszereket tanulmányozzunk, és így különbözõ paramétereiket meghatározzuk. A röntgensugárzás gyengülését és abszorpcióját, valamint a Hounsfieldértéket az alábbi összefüggések határozzák meg. A röntgensugárzás gyengülése: I = I 0 x e μxd I: Kimenõ sugárzás intenzitása I 0 : Beesõ rtg. sugárzás intenzitása μ: Az anyagra jellemzõ lineáris sugárgyengítési együttható d: Rétegvastagság A röntgensugárzás abszorpciója: A ~ λ 3 Z 4 dd A: Abszorpció λ: Hullámhossz (a kisebb energiájú sugárzások jobban elnyelõdnek) Z: Rendszám (a negyedik hatvánnyal arányos az abszorpció) d: Sûrûség D: Rétegvastagság A Hounsfield-érték és skála: K(μ μ víz ) HU = μ víz HU: a Hounsfield-egység (Hounsfield Unit) K: egy konstans, aminek az értéke 1000 μ: az adott képpont sugárgyengítési együtthatója μ víz : a víz sugárgyengítési együtthatója. Mu anyag 2009.indd 82

3 83 A skála értékeit a CT kifejlesztõjének tiszteletére nevezték el Hounsfield Unit-nak, amit HU-val jelölünk. A skála fix pontjai a víz értéke, ami 0, és a levegõ értéke, ami A pozitív oldalon 3000-ig tart a skála számozása. A modern készülékeken lehetõség van a skála kiterjesztésére ( HU). Fentiek alapján a mérési térfogatban a Hounsfield-értéket elsõsorban az anyagsûrûség (a komponensek sûrûsége és az üres terek térfogata) befolyásolja. Fontos tényezõ még az értékelésben a vizsgálandó tárgy vastagsága, és a különbözõ kalibrációk mellett kialakuló mérési zaj mértéke is. Az anyagvizsgálati mérések három típusba sorolhatók, melyekkel nagyon sokféle értékelés készíthetõ. CT-alapmérés. A CT-alapmérés során lehetõségünk van arra, hogy a teljes céltárgyat nagy felbontásban (0,1 0,1 1 mm-es nagyságrendben) mérjük, és a kapott 3D-s Hounsfield érték eloszlás és kép alapján nagy részletességgel kiértékeljük. Feltöltéses CT-mérés. A mérés során az elõzetesen erre megfelelõen elõkészített anyagdarabot valamilyen feltöltõ folyadékkal (víz, olaj, iszap, sav stb.) vagy gázzal feltöltjük, és eközben CT-mérést végzünk. Áramlásos CT-mérések. A mérések során az elõzetesen erre megfelelõen elõkészített anyagdarabon valamilyen feltöltõ folyadékot (víz, olaj, iszap, sav stb.) vagy gázt áramoltatunk, és közben CT-mérést végzünk. A berendezéssel a nyomást, a hõmérsékletet és az átáramló anyag mennyiséget is rögzíteni lehet. Az olajipari nagynyomású gumitömlõkön végzett CT-mérések feldolgozási és értelmezési eredményei A CT-méréseket 1 mm-es szeletvastagság és áramlásmérésekre kifejlesztett mérési protokoll mellett végeztük. A vizsgálatok a Kaposvári Egyetem Diagnosztikai és Onkoradiológiai Intézetében történtek Siemens Emotion és Somatom plus típusú készülékekkel ( Háromféle minta alapmérése történt különbözõ idõpontokban. Az elsõ mérések 1. lélek, 2. és 4. vulkanizált textil betét, 3. sodrony, 5. gumi borító 2. ábra. Kétbetétes gumitömlõ elvi szerkezete kísérleti jellegûek voltak, csak vizuális értékelések készültek. A késõbbiekben numerikus kiértékeléseket is végeztünk, és egy új adatfeldolgozási módszert is kidolgoztunk. A kísérleti mérések célja az volt, hogy megtudjuk, egyáltalán lehetséges-e megfelelõ képalkotás a tömlõkrõl a CTmérés alapján. Ezek során megállapítottuk, hogy a képalkotás megfelelõsége erõsen függ attól, hogy mekkora a fémtartalom (pl.: acélsodrony) a tömlõben, és annak milyen az eloszlása. Pozitív eredményként értékelhetõ, hogy még az igen magas fémtartalmú (4 db sodronyerõsítést tartalmazó) tömlõben is megkülönböztethetõk egyes szerkezeti elemek azokon a helyeken, ahol a fémtartalom árnyékoló hatása már nem jelentkezik (3. ábra). A képalkotás szempontjából azonban kedvezõbbek a kisebb fémtartalmú, a csak 2 db sodronyerõsítõ betétet tartalmazó tömlõk (4. ábra), ezért ezek részletesebb vizsgálata mellett döntöttünk. Háromféle tömlõn végeztünk tesztméréseket, amelyek héjfelépítésében az alábbi elemek vettek részt: Gumilélek, mely a flexibilis tömlõ közegállóságát biztosítja, megvédi a tömlõ többi részét a szállított közeg által okozott korróziótól és súrlódástól. A lélek vastagsága függ a belsõ nyomástól, a belsõ átmérõtõl, valamint a szállított közeg által keltett súrlódástól. A lélek anyagát úgy választják meg, hogy az ellenálljon a nyersolaj kémiai és hõhatásának, a tengervíznek, különbözõ gázoknak, hidraulikafolyadékoknak és egyéb, a tömlõ által szállított anyagnak. Szövetbetétek, melyek funkciója a belsõ nyomás elosztása. Merevítõ spirál, amely védelmet biztosít a tömlõt érõ tengelyirányú húzóerõvel és/vagy a külsõ nyomással szemben, valamint megakadályozza a tömlõ megtörését túlhajlítás esetén is. 3. ábra. Négybetétes gumitömlõ vizualizációja CT-mérési adatokból Ágyazó gumi rétegek, melyek biztosítják a különbözõ rétegek közötti tapadást. Nagyszilárdságú sodronyerõsítés, mely a fõ erõsítõ elem, meghatározza a belsõ nyomással szembeni ellenállást. Külsõ gumiborító (fedlap), amely megvédi a flexibilis tömlõt a külsõ behatásoktól, sérülésektõl, az idõjárás hatásaitól, tengervíztõl, olajtól, stb. Igény szerint lángálló fedlap is készíthetõ. A CT-méréssel vizsgált egyik tömlõtípust mutatja a 2. ábra. 4. ábra. Kétbetétes gumitömlõ vizualizációja CT-mérési adatokból Mu anyag 2009.indd 83

4 84 MÛANYAG- ÉS GUMIIPARI ÉVKÖNYV 2009 Az elvégzett elõzetes mérések alapján kidolgoztunk egy mérési és értékelési módszert, amely az alábbi lépésekbõl áll: CT-alapmérés a tömlõ egy rövid szakaszán (1, 3 és 5 mm-es szeletvastagság mellett), elõzetes kiértékelés a szeletvastagság eldöntésére, 1 mm-es szeletvastagságú mérés a minta teljes hosszában, az eredményfájlok konvertálása, GRID fájlképzés, 3D vizuális értékelések, eloszlás értékelések a belsõ szerkezeti elemek azonosíthatóságának vizsgálata (fedlap, sodronyok, szövetek, lélek stb.), hengerfelület menti értékelések a térbeli eloszlás vizsgálatára. A feldolgozás célja annak kiderítése volt, hogy az egyes alkotóelemek (fedlap, szövetek, ágyazók, sodronyok, lélek) beazonosíthatóak-e a HU-eloszlások alapján, és tudunk-e megállapításokat tenni a tömlõ szerkezetére és minõségi tulajdonságaira vonatkozóan. Az elvégzett statisztikai vizsgálatok alapján a tömlõfal alkotóelemeinek nagy részét sikerült beazonosítani a Hounsfield értékek eloszlásai alapján (5. ábra). A mérési eredmények kiértékelése során belsõ szerkezeti hibákat is sikerült kimutatni. A mellékelt ábrán egy sodrony felvezetési hiba látszik a CT-mérési adatokból készített gridfelületen (6. ábra). A mellékelt fotó pedig a mérés után kibontott tömlõ felületén mutatja, a sodrony pászma szabályostól eltérõ felvezetését. Általános megállapítások: l Az összes alkotóelem szerkezete a mérési zajnál nagyobb mértékû inhomogenitásokat mutatott. Ezek értékelése megbízhatóan csak a tömlõ tengelyével megegyezõ tengelyû (és a gyártási technológiának megfelelõ felület mentén készített) hengerfelületeken készített eloszlásokkal végezhetõ el. l A 3D grideken készített hengerfelületeken a belsõ szerkezeti elemek felismerhetõk és kvantitatív módon értékelhetõk voltak (szövet, sodrony felvezetési szöge, iránya és hibái, belsõ lyukak és hiányok stb.) l Részletesebb vizsgálatokat a hengerfelületek mentén nem végeztünk, mivel a metszõsík elvi hengerfelülete a valós alkatelemek belsõ középvonalából kifuthat és belemetsz más alkatelemek térfogatába. Így a HU-eloszlások eltolódnak. A probléma megoldását a jövõben szoftverfejlesztéssel kívánjuk megoldani. A kapott eredmények alapján elsõsorban a sodronyok geometriáját szerettük volna feltérképezni, ezért szoftverfejlesztést hajtottunk végre, amelynek lépései az alábbiak: A mérési adatmátrix értékelése és az acélsodronyok által érintett gridpontok leválogatása a Hounsfield adateloszlások alapján. Bináris adatmátrix konverzió (0 nem sodrony, 1 sodrony). Méret-összehasonlítás (elvi és valóságos sodronyátmérõk). Sodronypászma határok kijelölése. Sodronypászma középpontok meghatározása. Felvezetési szög meghatározása a szeletvastagság léptékében. A szoftver gyors kiértékelési lehetõséget biztosít a sodronyhibák megtalálásához, és a valós sodrony felvezetési geometria leírásához (7. ábra). 7. ábra. Sodrony menetemelkedési szögek eloszlása a CT-mérési adatok szoftveres kiértékelése alapján 5. ábra. A tömlõminta alkatelemeinek szegmentációja a CT-mérési adatok eloszlásai alapján A tesztmérések végsõ fázisában került sor a CT-mérés közbeni nyomáspróbázásra (8. ábra). A rotary tömlõ 300 bar nyomásig 50 bar-os lépésekkel fel lett töltve vízzel, majd ugyanilyen lépésekkel le lett eresztve nulla bar alapállapotba. Minden egyes nyomáslépcsõnél CTmérés történt. A mellékelt ábrán tanulmányozhatjuk a tömlõ egyes markerpontjainak elmozdulását és ezzel együtt az egyes 6. ábra. Sodronyozási hiba kimutatása a CT-mérési adatokból 8. ábra. Tömlõ nyomáspróba CT-mérés közben Mu anyag 2009.indd 84 4/8/09 3:19:39 PM

5 85 9. ábra. Nyomáspróba okozta tengelyirányú deformáció kiértékelése alkotóelemek tengelyirányú expanzióját és deformációját. (9. ábra). Az eredmények részletes kiértékelése a nagy mennyiségû numerikus adat feldolgozási nehézségei miatt még hosszabb idõt fog igénybe venni. Földes Tamás, Bogner Péter Kaposvári Egyetem Diagnosztikai és Onkoradiológiai Intézet 7400 Kaposvár, Guba S. u. 40. Katona Tamás, Dávid József ContiTech Rubber Industrial Kft Szeged, Budapest u. 10. Nagy Tibor Rubber-Consult Kft Budapest, Szepesi u. 5. Boros András FlexIB Kft Budapest, Karinthy F. út 24. Irodalom (1) J Dávid T. Nagy T. Katona T. Földes P. Bogner A. Boros: 3D characterization of high pressure hoses based on computer tomograph measurement interpretation Conference Volume of 3rd Rubber Symposium of the Countries on the Danube 2008 okt (2) Földes Tamás: Röntgen computer tomográf (CT) mérések alkalmazási lehetõségei a kõzetvizsgálatokban Mérnökgeológiakõzetmechanika oldal (3) T. Földes B. Kiss G. Árgyelán P. Bogner I. Repa, Kinga Hips Application of medical computer tomograph measurements in 3D reservoir characterization Acta Geologica Hungarica, Vol.47/1, pp (4) Bogner Péter Földes Tamás Závoda Ferenc Repa Imre: A CT és MR vizsgálatok lehetõségei a szénhidrogénkutatásban, Magyar Radiológia októberi száma, oldal (5) Applications of X-ray Computed Tomography in the Geosciences. Geological Society Special Publication (6) Dencs B. Szepvolgyi J. Bogner P. Foldes T. Gyenis J.: Computer Tomograph Measurements in Shear and Gravity Particle Flows Conference Volume of World Congress on Particle Technology,2002. Sydney. (7) T. Földes B. Kiss G. Árgyelán P. Bogner I. Repa: Application of medical computer tomograph measurements in 3D reservoir characterization Conference Volume of EAGE SAID Conference, Paris, France 2000.november Mu anyag 2009.indd 85 4/8/09 3:19:40 PM