آموزش نیروگاه| سعید کردی زاده

تست التراسونیک چیست ؟

تست التراسونیک چیست

چندی پیش ایمیلی دریافت کردم که یکی از اعضای سایت از من پرسیده بود که تست التراسونیک چیست ؟

اینکه « تست التراسونیک چیست ؟» را در مقاله پیش رو خواهید فهمید.

اولین پاسخ به سوال تست التراسونیک چیست ؟ این است: تست التراسونیک یکی از فراگیرترین روش‌های آزمون غیرمخرب مناسب برای تجهیزات و بخصوص در صنعت نیروگاهی می‌باشد.

توسط تست التراسونیک آزمایش‌هایی نظیر اندازه‌گیری ضخامت قطعه، اندازه‌گیری ضخامت لایه اکسیدی، ردیابی آسیب‌های مختلف، مشخص نمودن مراکز تمرکز تنشی و … امکان‌پذیر است.

لذا بکارگیری این روش و توسعه روش‌های نوین مبتنی بر امواج التراسونیک از اهمیت بسزایی برخوردار است.

در این مقاله ضمن اشاره مختصری به مبانی تست التراسونیک، روش‌های جدیدی که بر پایه التراسونیک بنا نهاده شده‌اند مورد بررسی قرار می‌گیرند.

تست التراسونیک چیست؟

در پاسخ به سوال التراسونیک چیست باید گفت، این تست روشی غیرمخرب است که در آن امواج فراصوت به طرف ماده فرستاده شده و بدین ترتیب عیوب سطحی و زیرسطحی ماده ارزیابی می‌شود.

منظور از بازرسی التراسونیک، ارسال ارتعاشات مکانیکی با فرکانس بالا به درون ماده و مشاهده پدیده حاصل از برخورد پرتو مافوق‌ صوت با یک نقص، سطح جدید و یا محلی با تغییر جرم ویژه می‌باشد.

در این مواقع، بخشی از موج مافوق صوت از فصل مشترک بازتاب یافته و بخش دیگر عبور می‌کند.

اگر موج تلاقی‌کننده با فصل مشترک زاویه بسازد و جنس ماده در دو طرف فصل مشترک با هم متفاوت باشد جزء عبور کرده در اثر انکسار تحت زاویه جدیدی می‌شکند.

با دریافت و تفسیر پیام تغییریافته به کمک بازبینی مافوق صوت می‌توان ترک‌های داخلی ماده را ردیابی کرد، ضخامت را اندازه گرفت (فقط دسترسی به یک ‌طرف قطعه مورد نیاز است) و تغییر ساختار متالورژیکی را مشخص نمود.

شكل (1) اساس چنین آزمونی را بصورت ساده نشان می‌دهد.

شكل (1): اساس آزمون التراسونیک

کاربردهای تست التراسونیک چیست

  • عیب یابی عیوب سطحی و زیر سطحی.
  • ضخامت سنجی به منظور بررسی میزان خوردگی، سایش و …
  • اندازه گیری خواص مواد از جمله سرعت، صوت در ماده، مدول الاستیک و…
  • عیوبی با اندازه 01mm قابل ارزیابی است.
  • برای مانیتورینگ زوال در نیروگاهها، خطوط لوله و … کاربرد دارد.
  • : در تشخیص ترکهای حاصل از آزمایشهای خزش، خستگی و همچنین در ضخامت سنجی اجزاء مختلف نیروگاهها از جمله درام، هدر، تیوب­ها، بدنه روتور، پره ها، ژنراتور و کندانسور بکار می رود.

مزایا تست التراسونیک چیست

  • عمق نفوذ برای تشیخص عیب از روشهای دیگر NDT بیشتر است.
  • تنها دسترسی به یک سمت نمونه مورد نیاز است.
  • بجز روش عیب یابی، برای منظورهای دیگر نیز بکار برده می شود.
  • محدودیتی در مورد نوع ماده آزمایش وجود ندارد.

معایب و محدودیتها تست التراسونیک چیست

  • سطح باید برای استفاده از کوپلانت و پراب در دسترس باشد.
  • مهارت اپراتور برای انجام تست ضروری است.
  • زبری سطح ممكن است در نتایج و تفسیر آنها تاثیر داشته باشد.
  • عيوب خطی موازی با امواج ممکن است ردیابی نشوند.
  • استانداردهای مرجع برای کار با دستگاه مورد نیاز است.
  • علائم مبهم بدلیل اثرات پراکندگی کار تفسیر نتایج را مشکل می کند.
  • نیاز به آماده سازی سطح دارد.

همانگونه که ملاحظه می‌شود، آزمون التراسونیک با داشتن دامنه کاربرد وسیع و محاسنی از جمله نمایش مكان دقیق عیب و کلیه عیوب سطحی و زیرسطحی، عدم آلودگی محیط‌زیست و عدم خطر برای انسان، دارای یکسری محدودیت‌ها است.

به منظور برطرف نمودن محدودیت‌های این تکنیک، روش‌های پیشرفته التراسونیک از جمله EMAT و phased array توسعه یافته‌اند.

روش‌های پیشرفته تست التراسونیک چیست

1. روش Phased Array Ultrasonic

بعضی شرکت ها تکنولوژی phased array را برای گسترش روش‌های مختلف التراسونیک در ارزیابی اجزاء مختلف نیروگاه بکار می‌گیرند.

علت روی آوردن به این تکنولوژی، اقتصادی‌تر نمودن ارزیابی از طریق کمتر کردن زمان ارزیابی و ساده‌تر نمودن سخت‌افزارهای روبش می‌باشد.

روش‌های متداول التراسونیک نیازمند حرکت فرستنده روی سطح قطعه مورد ارزیابی است که خود روشی وقت‌گیر برای اسکن کردن در یک الگوی دوبعدی می‌باشد.

روش phased array با ساده‌تر نمودن الگوی لازم برای روبش، زمان لازم برای ارزیابی را کاهش می‌دهد.

در سیستم التراسونیک معمولی، هر پراب با یک زاویه خاص می‌باشد و بر این اساس فقط قادر به بررسی نواحی تحت تاثیر آن زاویه خواهد بود.

در حالیکه گویی در سیستم phased array، هر یک از پیزوالکتریک‌های موجود در پراب‌های تک کریستال به تعداد زیادی المان تقسیم شده که عرض پیزوالکتریک‌های جدید بسیار کوچک‌تر از طول آنها باشد.

در این صورت هر یک از این المان‌ها خود به یک منبع صوتی تبدیل شده که بصورت مستقیم به پالسر دستگاه وصل شده و کاملا مجزا و مستقل تحریک می‌شوند.

به عبارت دیگر، به جای استفاده از یک پراب از ۱۶، ۳۲ و یا ۱۲۸ پروب کوچک در کنار هم استفاده می‌شود.

در واقع، یک پراب single array که می‌تواند کار انواع مختلف پراب‌های متداول را بطور همزمان انجام دهد.

در چنین پرابی بدون نیاز به حرکت پراب، اشعه‌های صوتی در زوایای مختلف پراکنده شده و در یک زمان کم، ناحيه وسیعی ارزیابی می‌گردد و در نتیجه یک تکه از قطعه‌ای در چند میلی‌ثانیه به صورت الکترونیکی اسکن می‌گردد.

این در حالی است که با روش‌های متداول التراسونیک، ارزیابی حداقل چند ثانیه طول خواهد کشید.

در چنین روشی بجای اسکن کردن یک الگوی دوبعدی در یک زمان طولانی برای ارزیابی محل جوش توسط روش‌های متداول التراسونیک، می‌توان تنها با یک‌بار اسکن کردن در طول جوش به همان نتایج دست یافت.

شكل (۲) تفاوت الگوی اسکن به دو روش التراسونیک متداول و روش ابداعی phased array را نشان می‌دهد.

شكل (۲) تفاوت الگوی اسکن به دو روش التراسونیک متداول و روش ابداعی phased array

از مزایای مهم کنترل پارامترهای صوتی و تولید امواج التراسونیک متمرکز، تشخیص ترک‌هایی که در راستای مناسب نسبت به پراب قرار ندارند می‌باشد.

در حالی که پراب‌های تک کریستال معمول با محدودیت در زاویه امکان تشخیص چنین ترک‌هایی را ندارند (مطابق شكل 3).

شكل (۳) مقایسه تشخیص ترک‌های غیر هم جهت در پراب‌های phased array و تک کریستال

روش phased array برای ارزیابی قطعات مختلف نیروگاه‌ها بکار گرفته می‌شود.

محل جوش‌های تیوب‌های فولادی، جوش‌های مخازن تحت فشار، جوش‌های rim دیسک توربین و لوله‌های پر انرژی از جمله مواردی هستند که روش phased array برای ارزیابی آنها بکار برده می‌شود.

بعنوان مثال در مورد یک ارزیابی معمولی که نیازمند بررسی حدود 60 متر اتصال جوش می‌باشد، توسط روش‌های متداول التراسونیک، رویش هر متر از اتصالات جوش در حدود ۲۰ دقیقه طول می‌کشد.

روبش این مناطق با حرکت فرستنده طبق یک الگوی دوبعدی انجام می‌شود.

با بکار بردن یک پراب array ارزیابی مقطع مورد نظر با سرعت کمتر از 30 ثانیه به ازای هر متر جوش قابل انجام می‌باشد.

مشاهده می‌گردد که استفاده از روش phased array باعث کاهش زمان ارزیابی بطور قابل توجه، کاهش زمان آنالیز داده‌ها، کاهش پیچیدگی دستگاه اسکن‌کننده و نهایتاً دقت و اطمینان بیشتر در ارزیابی عیوب کوچک‌تر می‌گردد.

شكل (4) اجزاء مختلف یک سیستم phased array را نشان می‌دهد که شامل سه قسمت اصلی پراب، ابزار phased array UT برای کنترل سیگنال‌های ورودی و خروجی پراب و کامپیوتر برای کنترل ابزار phased array UT می‌باشد.

چنین سیستم سبکی امکان استفاده از آن­را ساده‌تر می‌کند و حمل و نقل چنین سیستمی بسیار آسان می‌گردد.

شكل (5) ساختار یک کامپوزیت پیزوالکتریک را نشان می‌دهد. با چنین پیزوالکتریک‌هایی امکان ارزیابی قطعاتی با هندسه پیچیده میسر می‌گردد.

شكل (4) اجزاء مختلف یک سیستم  phased array

 

شکل (5) ساختار یک کامپوزیت پیزوالکتریک

2. روش فرستنده‌های صوتی الکترومغناطیس (Electromagnetic Acoustic Transducers) یا EMAT

آزمون التراسونیک جزء لاینفک آزمون‌های غیرمخرب جهت کنترل کیفیت و ارزیابی قطعات در حال سرویس می‌باشد.

در آزمون التراسونیک از فرستنده‌های پیزوالکتریک جهت اشاعه امواج التراسونیک در ماده استفاده می‌شود.

یک میدان الکتریکی به کریستال پیزوالکتریک اعمال می‌شود، کریستال پیزوالکتریک میدان الکتریکی اعمالی را به امواج التراسونیک تبدیل می‌کند.

جهت فرستادن این امواج التراسونیک به ماده مورد بررسی و دریافت آن، یک کوپلانت مانند آب، روغن، گریس یا کوپلانت‌های تجاری از نوع ژل مورد نیاز است و لازمست که تمیزکاری سطح نیز صورت گیرد.

نیاز به کوپلانت و نیاز به آماده‌سازی سطح، باعث محدود شدن کاربرد این روش در موارد متعدد می‌شود.

از جمله این موارد می‌توان به بررسی قطعات متحرک، قطعاتی با دمای کاری بالا، سطوح خشن (Rough) و قطعاتی با نواحی مورد بررسی گسترده اشاره کرد.

یک روش جایگزین جهت انتقال امواج التراسونیک درون ماده، فرستنده‌های صوتی الکترومغناطیس (Electromagnetic Acoustic Transducers (EMATs)) می‌باشد در روش EMAT برخلاف روش التراسونیک امواج صوتی درون ماده تولید می‌شود و نیازی به کوپلانت نمی‌باشد.

روش EMAT یک روش نوین بررسی غیرمخرب است که انرژی الکتریکی را در حضور یک میدان مغناطیسی به انرژی صوتی تبدیل می‌کند.

این دستگاه که از نوع غیر تماسی است امواج التراسونیک را در مواد رسانا یا مغناطیس تولید می‌کند.

همچنین این امواج را مورد بررسی قرار می‌دهد و اصولا دستگاه EMAT از یک سیم‌پیچ و یک آهن‌ربا تشکیل شده است.

سیم‌پیچ EMAT که از آن جریان الکتریکی متناوب عبور می‌کند، در میدان مغناطیسی یکنواخت (B)، نزدیک سطح نمونه مورد بررسی قرار داده شده و سیم‌پیچ باعث القاء جریان‌های گردابی (J)، در سطح نمونه می‌شود.

در اثر برهم‌کنش جریان‌های گردابی با میدان مغناطیسی نیروهای لورنتز (Lorentz)f  بوجود می‌آیند:

f= JxB

در اثر برهم‌کنش نیروهای لورنتز با شبکه اتمی ماده مورد بررسی امواج التراسونیک در سطح ماده بوجود می‌آید.

با تولید امواج آلتراسوینک در سطح ماده، این امواج درون ماده توسعه می‌یابد.

همان پروب فرستنده یا پروب EMAT دیگری را می‌توان بکار گرفت تا امواج انعکاس‌یافته بوسیله عيوب یا طرف دیگر ماده را دریافت کرد.

این امواج انعکاس‌یافته، در حضور میدان مغناطیسی باعث بوجود آمدن جریان الکتریکی در سیم‌پیچ پروب EMAT می‌شود.

در حقیقت وقتی که امواج از عیوب یا سطح دیگر ماده برمی‌گردند و به سطح ابتدایی می‌رسند، بوسیله فرآیند معکوسی بررسی می‌شوند.

در مواد فرومغناطیس علاوه بر مکانیزم تولید نیروی لورتنز جهت فرستادن و دریافت موج التراسونیک، مکانیزم دیگری که بر پایه اصول کشسانی مغناطیسی (Magnetostriction) می‌باشد، فعال می‌شود.

کشسانی مغناطیسی، تغییر بعد قابل برگشت به علت مغناطیسی شدن می‌باشد که در اجسام فرومغناطیس مانند فولاد، نیکل و اکسیدهای مغناطیسی مشاهده می‌شود.

جریان عبوری از سیم‌پیچ باعث می‌شود که لایه اکسیدی روی سطح تيوب ارتعاش کند و در نتیجه یک موج مکانیکی که خواص مشابهی با موج التراسونیک دارد، تولید شود.

روش EMAT می‌تواند امواج طولی یا فشاری (Longitudinal or Compressional Wave)، امواج برشی و امواج سطحی یا ریلی یا Lamb تولید کند که هر یک از این امواج کاربرد خاص خود را دارند.

جهت میدان مغناطیسی اعمالی، هندسه سیم‌پیچ و فرکانس میدان الکترومغناطیس تعیین‌کننده نوع موج تولید شده بوسیله روش EMAT خواهد بود.

با بکارگیری روش EMAT، به علت تولید امواج التراسونیک در سطح ماده مورد بررسی و در نتیجه عدم نیاز به کوپلانت، می‌توان نواحی گسترده تیوب‌ها را سریعاً مورد بررسی قرار داد و کاهش ضخامت و دیگر مکانیزم‌های تخریبی تیوب‌های بویلر نظير حفره‌دار شدن، آسيب هیدروژنی، ترک‌های خستگی خوردگی و ترک‌های خستگی حرارتی را شناسایی کرد.

روش EMAT قادر است عیوب مختلفی چون نازک شدن دیواره تجهیزات مختلف، آسیب هیدروژنی، حفره‌دار شدن، ترک‌های ناشی از خستگی خوردگی و خستگی حرارتی، شیارهای طولی و عرضی، تنش باقیمانده و عیوب مختلف جوش در اتصالات جوشکاری شده را تشخیص دهد و علاوه بر این به کمک این روش امکان ضخامت‌سنجی تیوب‌ها و لوله‌ها فراهم می‌گردد.

بر این اساس سیستم‌های متنوعی از EMAT طراحی و بکار گرفته شده‌اند، که هر یک از آنها قابلیت‌های خاص خود را داشته و بر اساس انتظارات کاربر، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نتیجه‌گیری

آزمون‌های غیرمخرب متعددی جهت تامین اهداف مختلفی توسعه یافته‌اند که در اغلب موارد یک آزمون در کنار سایر آزمون‌ها بکار می‌رود.

در واقع بین روش‌های مختلف ارتباطی وجود دارد که آنها بصورت مکمل یکدیگر عمل می‌کنند و بدین ‌صورت است که نمی‌توان از یک سیستم خاص انتظار برآورده ساختن تمامی نیازها را داشت.

از اینرو در انتخاب یک سیستم معیارهای متعددی (میزان کارایی دستگاه در ارزیابی تجهیزات نیروگاهی، سهولت کاربرد، قیمت دستگاه، اعتبار شرکت‌های مختلف، هزینه دستگاه سرعت، دقت، مزایای اقتصادی روش و …) مدنظر قرار می‌گیرند.

آزمون التراسونیک جزء لاینفک آزمون‌های غیرمخرب جهت کنترل کیفیت و ارزیابی قطعات در حال سرویس می‌باشد که قادر به نمایش مکان دقیق عیب و کلیه عیوب سطحی و زیرسطحی بوده و خطری برای انسان و محیط‌زیست ندارد ولی به دلیل برطرف کردن محدودیت‌هایی از قبیل کند بودن روش، نیاز به اپراتور مجرب، نیاز به آماده‌سازی سطح و نیاز به کوپلانت، روش‌های جدیدی از جمله روش Phased Array Ultrasonic و EMAT توسعه یافته‌اند.

سیستم جدید Phased Array بسیاری از مشکلات موجود در صنعت بازرسی را رفع نموده و یکی از قوی‌ترین ابزارهای بازرسی فنی به روش غیرمخرب می‌باشد.

افزایش سرعت بازرسی، افزایش دقت و قدرت تفکیک بالا این روش را به روشی با قابلیت‌های بسیار بالا و منحصر به فرد تبدیل کرده است.

علاوه بر روش فوق، روش EMAT به عنوان یک روش مقرون به صرفه برای بررسی تجهیزات نیروگاهی مطرح می‌گردد.

تا قبل از توسعه این روش، بررسی تجهیزات نیروگاهی محدود به بررسی نقطه‌ای تیوب‌های بویلر جهت تعیین میزان کاهش ضخامت بوسیله بکارگیری روش‌های رایج التراسونیک بوده است.

در نتیجه تنها بخش اندکی از تیوب مورد بررسی قرار می‌گرفته است.

با بکارگیری روش EMAT، به علت عدم نیاز به کوپلانت و تمیزکاری می‌توان نواحی گسترده تیوب‌ها را سریعاً مورد بررسی قرار داد و کاهش ضخامت و دیگر مکانیزم‌های تخریبی تیوب‌های بویلر نظير حفره‌دار شدن، آسیب هیدروژنی، ترک‌های خستگی خوردگی و ترک‌های خستگی حرارتی را با صرف هزینه و زمان کمتر نسبت به تست التراسونیک شناسایی کرد.

روش EMAT بطور موفقیت‌آمیزی در نیروگاه‌های کشورهای مختلف مانند آمریکا، ایتالیا، انگلستان، ژاپن و آفریقای جنوبی بکار رفته است.

امیدوارم از این آموزش نهایت استفاده را برده باشید  و پاسخ سوال « تست التراسونیک چیست ؟» را دریافت کرده باشید.

لطفا نظرات خود را از بخش نظرات همین صفحه با ما در میان بگذارید.

منبع: معصومه رعیت پور،عیسی ثابت قدم،”لزوم رویکرد به روش های نوین آلتراسونیک در ارزیابی تجهیزات نیورگاههای بخاری “، هفتمین همایش کیفیت و بهره وری در صنعت برق، تهران، خرداد 1388

دیدگاه‌ها (0)

*
*

*

code