A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.5
Csövek falvastagságmérési pontossága ultrahang-frekvenciás módszer alkalmazása esetében Tárgyszavak: cső; ultrahang-; falvastagság; mérés.
Manapság az ultrahang-frekvenciás módszer egyik leggyakoribb alkalmazási területe a vastagságmérés. Ennek ellenére általános a vastagságmérés pontatlansága, különösen a csőfalvastagság ellenőrzésekor. Számos tényező jelentős mértékben növeli a mérési hibát. Ezek közül a csőfal és a mérőszonda érintkező felületeinek görbülete közötti eltérés hatása a legerősebb. Ha valaki elmulasztja ennek az elkerülhetetlen hibaoknak a kompenzálását, durva mérési hibát követ el. A következők az ilyen hiba kompenzálásának módszereit mutatják be.
A korszerű vastagságmérő berendezések A korszerű vastagságmérő eszközök analóg vagy digitális feldolgozás révén jutnak a mérési eredményhez, és azt digitálisan jelenítik meg. Az ilyen mérőeszköz működtetése semmi különösebb kezelési ismeretet nem igényel. A szükséges felbontóképesség elérése érdekében erősen csillapított, ikerelemes mérőszondát használnak (1. ábra). A szonda frekvenciája általában 5–8 MHz, átmérője 6,4–12,7 mm lehet. A szonda átalakító kristályai által bezárt szög szabja meg azt a vastagság tartományt, amelyen belül a műszer használható. Az érintési felületről nem érkezik visszavert jel. Tehát meg kell határozni a „nullapontot”, amely a szonda érintkezési pontja és a vizsgált darab közötti átmeneti határfelülethez tartozik. A vizsgált anyag fizikai sajátosságai miatt is kalibrálást igényel a rendszer, vagyis ellenőrizni kell a szonda linearitását az anyagban végbemenő hangterjedés szempontjából. A
szonda „nullázása” és az anyag kalibrálása a szonda típusától és működtetési módjától függően többféleképpen is elvégezhető.
adó
vevő
a hanghullám útja
1. ábra Kételemes mérőátalakító Használati alapelvek Csövek vizsgálatakor az ultrahang-frekvenciás falvastagságmérés céljai: – a falvastagság ellenőrzése (megfelel-e a felhasználás műszaki specifikációinak), – a belső felületen lévő folytonossági hibák mélységének meghatározása (ill. annak vizsgálata, hogy mekkora a tisztán visszamaradó falvastagság). A szonda típusa és használati módja nem feltétlenül azonos ebben a két esetben. Általában a nagyobb frekvenciás, kisebb átmérőjű, az „első visszhangig nulla kijelzésű” üzemmódban működő szondák érzékenyebben és jobb feloldóképességgel azonosítják a kisméretű folytonossági hiányokat a belső felületen, viszont ez a fokozott érzékenység esetleg nem kívánatos egyszerű falvastagságméréskor, amikor a felülvizsgálatot mechanikus mikrométerrel végzik. Ilyen esetekben ugyanis az ultrahang-frekvenciás eljárás kisebb értékeket szolgáltat, mint a mechanikus mérőműszer, mivel az ultrahangos szonda rendkívül érzékeny a felületi érdességek által kiváltott vastagságcsökkenésre. Tehát lényegében a falvastagságmérésre jobban megfelelnek a kisebb frekvenciás, nagyobb átmérőjű, több visszavert hullámos üzemmódban működő mérőátalakítók. Bármelyik esetben alapvető fontosságú a műszerváltozók, valamint annak ismerete, hogy ezek milyen hatással vannak a mérési pontosságra. Az egyes felhasználási változatok szempontjából feltétlenül meg kell határozni a mérési paraméterek optimális kombinációját.
Üzemmódok Az ultrahang-frekvenciás vastagságmérő műszerek két különböző üzemmódban alkalmazhatók: – az első visszhangig nulla kijelzésű vagy – a több visszavert hullámos változat használható fel. Valamennyi szonda alkalmas az első visszhangig nulla kijelzésű üzemmódra, míg a több visszavert hullámos változat választható. A megválasztott üzemmód messzemenően befolyásolja mind a vastagságmérési pontosságot, mind a műszer felbontóképességét, vagyis azt hogy mennyire képes kimutatni olyan kis felületű falvastagság-változásokat, amelyek belső felületi hibákra utalnak. Az első visszhangig nulla kijelzésű üzemmód Ebben az üzemmódban a vastagság meghatározásának alapja a nullapont és az első visszhang közötti idő. A nullapont az anyag és a szonda közötti átmeneti határfelülethez tartozik, és meghatározása a hitelesítés folyamán végezhető el. Az analóg műszerek általában az első visszhangig nulla kijelzésű üzemmódban működnek, és kinullázással, valamint a terjedési sebesség alapján hitelesíthetők. A pontos hitelesítéshez két etalontávolság szükséges. Általában lépcsős vastagságetalont használnak. Pontos mérés céljaira két olyan hitelesítő etalont kell megválasztani, amelyeknek az ellenőrzésre kerülő teljes vastagságtartományt kell felölelniük. Arra is lehetőség van, hogy a görbült érintkezési felületű szonda által kiváltott hibát kompenzáló etalont alkalmazzanak. Az első visszhangig nulla kijelzésű üzemmódban működő digitális műszer számára két különböző kalibrálási változatot lehet alkalmazni. Vagyis vagy egypontos, vagy kétpontos kalibrálási üzemmód választható. Egypontos kalibrálási üzemmód Ehhez csupán egyetlen külső vastagsági etalonra van szükség, mivel a műszer vagy önkinullázó, vagy egy beépített kinullázó etalonnal van ellátva. Amikor a szonda ki van nullázva, a mérőátalakítót a sebesség beállítása céljából külső etalonra helyezik. Ez egyszerű művelet, azonban nem teszi lehetővé a szonda görbületének kompenzálását. Végeredményben a csupán egypontos kalibrálási üzemmódban használt műszereket nem lehet csövek falvastagságának mérésére használni.
Kétpontos kalibrálási üzemmód A kétpontos kalibrálási üzemmód végrehajtásához két vastagsági referenciára van szükség. A kalibrálást nagyjából ugyanúgy végzik, mint analóg szonda használatakor. A kalibráláshoz megválasztott két vastagságérték meg kell, hogy feleljen a teljes megmérendő vastagság tartománynak. A szonda görbületének kompenzálására is lehetőség van. Több hanghullám visszaverődésén alapuló módszer A több hanghullám visszaverődésén alapuló változat az egypontos kalibrálás egyszerűségével és a kétpontos üzemmód sokoldalúságával jellemezhető. A vastagság meghatározásának alapja az egymást követő visszaverődések között eltelt idő (2. ábra).
adó a hanghullám útja
első visszavert hullám második visszavert hullám
2. ábra Ultrahang-frekvenciás vastagságmérés több hanghullám visszaverődésén alapuló üzemmódban A módszer előnye, hogy kiküszöböli a külső hatásokat. Ugyanis ebben az esetben a nullapont az első hullám-visszaverődés, tehát mind a kinullázási, mind a kalibrálási funkció egyetlen lépés.
Általános hibaforrások és hatásaik kiküszöbölésének lehetőségei Csövek falvastagságának ultrahang-frekvenciás mérésekor több hibaforrásra kell tekintettel lenni. Legáltalánosabbak: az egymástól eltérő terjedési sebesség az etalon anyagában és a mérendő anyagban, a mérőszonda nem megfelelő tájolása a görbült felületen, az anyag hőmér-
sékletének változásai, végül pedig az etalon, a vizsgált anyag és a mérőszonda érintkezési felületeinek egymástól eltérő görbületei. A hangsebesség változásai A sebességváltozások minimumra csökkenthetők az etalon olyan megválasztásával, hogy annak kémiai összetétele, valamint akusztikai tulajdonságai a mérendő anyagéval közelítőleg azonosak legyenek. Általában az akusztikai sebességek közötti kisebb különbségek nem fogják különösebben befolyásolni a mérés pontosságát, ha a mérendő anyag vastagsága 5,1–15,2 mm. A mérőátalakító nem megfelelő tájolása Csövek kételemes mérőátalakítóval végzett mérésekor az akusztikai elválasztó elem legyen mindig merőleges a cső, vagy az etalon hossztengelyére. Az ettől eltérő tájolás esetében a szonda és a mért anyag nem fekszik fel pontosan, hanem kis rés képződik a két felület között, ami komoly mérési hibát okoz. Hőmérséklet-változások A felmelegedő szonda és a mérendő anyag hőtágulása következtében jelentős mérési hiba jöhet létre. Ezért előnyös a kalibrálás és a mérés előtt elegendő ideig szobahőmérsékleten tartani a mérendő anyagot, a szondát és az etalont, hogy azonos hőmérsékletet vegyenek fel. A felületi görbület változásai Csövek falvastagságának ultrahang-frekvenciás vizsgálatakor leggyakoribb hibaforrás a felületi görbületek közötti különbség. Amennyiben azonban a vizsgált anyag és a felhasznált vastagsági etalon felületének alakja megegyezik egymással, a kinullázás érvényes marad, és pontos mérésre van lehetőség. A mérési hiba akkor sem lesz jelentős, ha a mérőátalakító szonda érintkezési felülete sík, viszont a mérendő darab felülete egészen kis mértékben domború. Amennyiben azonban a mérőszonda nem sík, viszont a műszer linearitásának kalibrálásához sík felületű lépcsős etalont használunk, komoly hiba lép fel a cső falvastagságának mérésekor. Bár legtöbb vastagságmérő szonda érintkezési felülete gyártás után sík, a vizsgált csövek felületén elcsúsztatva fokozatosan olyan felületűre kopnak, mint amilyen a csőfelület görbülete. A szonda vizsgált felületen
való elcsúsztatásának mértékétől függően válik homorúvá annak érintkezési felülete. Ez akár rövid idő alatt is – szélsőséges körülmények között akár percek alatt is – megtörténhet. Amikor a homorú érintkezési felületű szonda érintkezik a sík etalon felülettel, a hézagot a folyékony csatolóközeg tölti ki (3. ábra).
homorú érintkezési felületű mérőátalakító
csatolófolyadékkal telített rés
3. ábra Homorú felületű mérőátalakító sík felületen A csatolófolyadékban a hang sebessége mintegy harmada az acélban terjedő hanghullám sebességének. Ez a folyadékréteg is része az etalon vastagságának. Tehát a mérési hiba a rés vastagságának háromszorosával megnövekszik. A hibát kompenzálni kell, különben előfordulhat hibás anyag jónak minősítése, vagy ellenkezőleg, hibátlan anyag kiselejtezése. A hiba többféleképpen is kompenzálható. A szonda érintkezési felületét le lehet csiszolni, vagy olyan etalont lehet használni, amelynek felületi görbülete megegyezik a vizsgált felületével. Lehetséges, hogy a sík felületű etalonon meghatározzuk a mérési hibát, és ezt kinullázással kompenzáljuk, vagy a több hanghullám visszaverődésén alapuló módszert használjuk.
Hibamegoldási módok A szonda homorú érintkezési felületének „kiegyenesítése” csiszolással vagy reszeléssel Ennek a lehetőségnek a kihasználása látszólag rendkívül egyszerű és hatékony, azonban a gyakorlatban elég költségesnek bizonyulhat, anélkül, hogy megoldaná a problémát. Mint már arról volt szó, a szonda-
felület megváltozása (kopása) egészen rövid idő alatt bekövetkezhet. A lecsiszolás is csak rövid ideig hozhat kedvező eredményt. Tehát a szonda használati ideje nagyon lecsökkenhet. Mivel a szonda érintkezési felülete folyamatosan fog változni, a többi kompenzálási módszer kevésbé lesz hatékony, hiszen a kompenzálás tárgya állandóan változik. A vizsgált csővel azonos görbületű felülettel kialakított etalon alkalmazása A szonda érintkezési felületének változó görbülete által előidézett hiba kiküszöbölésének egyik módszere olyan etalont használni, amelynek felületi görbülete megegyezik a csőfelület görbületével. Ennek megvalósításához annyi etalon szükséges, ahány különböző átmérőjű csövet kell mérni. Ha az etalon felületének görbülete eltérő a csőfelület görbületétől, a hiba ugyan kisebb lesz, de még mindig érezteti hatását. További problémát okoz, ha a cső felületén (például javítási célból) felületi megmunkálást végeztek, és emiatt azon a helyen a felület sík, vagy akár homorú lehet. Nyilván a homorú felületű etalonnal kalibrált szonda a méréskor a valóságtól ismét eltérő vastagsági adatot fog adni. Primer kalibrálási etalon használata a kétpontos kalibrálási módszer esetén Analóg szonda használatakor, vagy amikor a digitális szondát kétpontos kalibrálási üzemmódban alkalmazzák, primer kalibrálási etalon segítségével lehet kompenzálni a szonda érintkező felületi görbülete által előidézett kinullázási hibát. A primer etalont úgy lehet előállítani, hogy a vizsgálatra kerülő anyagból kivágunk egy mintát és azon – egyértelműen megjelölt helyen – mikrométerrel vastagságmérést végzünk. A megbízható mérés érdekében gondoskodni kell arról, hogy a mikrométernek a minta belső felületén felfekvő mérőcsap-végződése kisebb lekerekítésű sugarú legyen, mint a cső belső sugara. A mikrométer és a cső belső mérési felülete legyen tiszta és mentes minden revétől vagy rozsdától. A mikrométer mérőcsapjainak végét kenjük be vékonyan festékkel, így megjelölve a mérési pontot. Egyúttal írjuk mellé a mérési adatot. Ezt követőleg először ellenőrizni kell az ultrahangos vastagságmérő műszert linearitás szempontjából olyan lépcsős (sík vagy görbült felületű) etalon segítségével, amelynek akusztikai tulajdonságai nagyjából megegyeznek a vizsgálandó anyagéval. A két lépcsőzet által meghatározott vastagságértékek megfelelnek a mérendő anyagvastagságnak. A linearitás ellenőrzése után közvetlenül a primer etalon felületére helyezzük a
szondát és az ultrahang-frekvenciás mérés eredményét hasonlítsuk össze a mechanikus vastagságmérő műszer által meghatározott értékkel. Ha a szonda mérőfelülete legömbölyített, az ultrahang-frekvenciás mérés adata kisebb lesz, mint a mechanikus mikrométer által mért érték. Ha viszont nagyobb, akkor vagy nem volt megfelelő az ultrahangos műszer ellenőrzése linearitás szempontjából, vagy a linearitás ellenőrzésére felhasznált etalon anyag akusztikai tulajdonságai eltérnek a vizsgált csőanyagéitól. Analóg műszer használatakor a szonda hegyének lekerekítése miatt fellépő mérési hiba korrekciója érdekében a műszer kinullázását addig kell folytatni, amíg meg nem kapjuk a helyes vastagságmérési eredményt. Ezáltal a nullapont helyét ugyanolyan értékkel eltoltuk, amennyit a szondacsúcs lekerekítése okozott, tehát így kompenzáltuk ezt a hibát. További kalibrálási ellenőrzésekre kerülhet sor a lépcsős vastagságmérési etalon felhasználásával. Ekkor ezt a kinullázási állapotot megtartva, pontos lesz a kalibrálás mindaddig, amíg a mérőátalakító csúcslekerekítése változatlan marad. Digitális műszer használatakor a kinullázás úgy történik, hogy ismét felhasználjuk a linearitás ellenőrzésére alkalmazott lépcsős etalont, és a mért hibának megfelelő értékkel eltoljuk a nullapont helyzetét. Ha például a primer etalon ultrahang-frekvenciás mérésekor kapott érték 0,13 mmrel kisebb, mint a mechanikus műszerrel mért adat, akkor a lépcsős vastagságmérési etalonon meghatározott minden vastagságmérési értékhez 0,13 mm-t kell hozzáadni, vagyis az etalon vastagsága ennyivel nagyobb lesz. Ezáltal megvalósul a mérőműszer nullapontjának eltolása a hiba mértékének megfelelően. Az ultrahang-frekvenciás analóg műszerhez hasonlóan a további kalibrálási ellenőrző műveletek a meghatározott korrekciós értékekkel módosított vastagságetalonon hajthatók végre. A mérések mindaddig helyesek lesznek, amíg a mérőszonda csúcsának lekerekítése változatlan marad. Ez a kompenzálási eljárás rendkívül hatékony görbült felületű darabok vizsgálatakor. Hasonló problémák merülnek fel viszonylag sík vagy homorú felületű anyagok vastagságának ellenőrzésekor. Az eljárás ilyenkor is használható, ha a mért felület egyenletes. Az eljárás alkalmazása több hullám visszaverődésén alapuló üzemmód esetében Még a közelmúltban is kizárólag csak egyelemes mérőátalakító felhasználásakor lehetett a több hullám visszaverődésén alapuló módszert alkalmazni. Ma már azonban léteznek olyan ultrahang-frekvenciás vastagságmérő műszerek, amelyek segítségével a több hullám visszaverő-
désén alapuló eljárást kételemes mérőátalakítóval is alkalmazni lehet; a vastagság az egymást követő visszaverődések között eltelt idő alapján határozható meg. Tehát nincs szükség kinullázásra, mivel az első hullám-visszaverődés adja a nullapontot. A több hullám visszaverődésén alapuló eljárás fő előnye valamennyi külső hatás kiküszöbölése. Ennek következtében például a szonda csúcsának lekerekítése, vagy a vizsgált darabon kiköszörült homorú felület nem befolyásolják a mérés pontosságát. A kalibrálás egyetlen vastagságetalonon végzett műszeres hangsebességmérés alapján lehetséges. Mivel az ultrahang-frekvenciás mérés két egymást követő visszaverődésből határozza meg az eredményt, a több hullám visszaverődésén alapuló üzemmód nem érzékeny a belső felületi hibák által előidézett falvékonyosodásra. Emiatt azonban ez az eljárás nem használható a belső felületi hibák helyének azonosítására, vagy mélységének meghatározására. A több hullám visszaverődésén alapuló üzemmód alkalmazásához különleges mérőátalakítóra is szükség van, amely valamivel nagyobb átmérőjű és kisebb csúcsszögű. Ez teszi lehetővé a két visszaverődő hullám kimutatását. Ezért viszont két különböző mérőátalakítóra van szükség mind a vastagságmérésre, mind a belső felületi hibák kimutatására.
adó
vevő
a)
vevő
adó
b)
4. ábra Kísérleti elrendezés: a) ultrahang-frekvenciás vastagságmérés a sík felületű oldal felől; b) ultrahang-frekvenciás vastagságmérés a (beköszörült) homorú oldal felől Ellenőrző kísérlet A kísérlethez egy 12,7 mm vastag lemezen 1,27 mm mély homorú mélyedést köszörültek. Az ultrahang-frekvenciás vastagságmérést kü-
lönböző üzemmódokban végezték el a lemez mindkét felületén (4. ábrán) és a legkisebb vastagságmérési adatokat rögzítették. Az 1. táblázatban bemutatott eredmények azt mutatják, hogy a homorú mélyedés felől végzett mérés esetében, az első hanghullám viszszaverődésén alapuló üzemmód esetén jelentős a mérési hiba, viszont a több hullám visszaverődésén alapuló üzemmód esetén nem kell hibával számolni. 1. táblázat Ultrahang-frekvenciás mérési eredmények összehasonlítása 11,3677 mm-es mechanikai mérési adattal Mérés a beköszörült homorú felülettel szembeni oldalról
Mérés a beköszörült homorú felület felőli oldalról
Különbség
(Az első visszhangig nulla kijelzésű) egypontos mérés
11,38 mm
11,58 mm
0,2 mm
(Az első visszhangig nulla kijelzésű) kétpontos mérés
11,4 mm
11,58 mm
0,18 mm
Több hullámvisszaverődésén alapuló üzemmód esetén
11,38 mm
11,38 mm
0
Üzemmód
Következtetések Bár csövek falvastagságának ultrahang-frekvenciás mérését tartják az eljárás egyik legegyszerűbb alkalmazási lehetőségének, mégis komoly mérési hiba keletkezhet, ha bizonyos tényezőket nem vesznek figyelembe, és azok hatását nem helyesbítik. Megfelelő módszerek és berendezések gondos alkalmazásával lehetőség van a falvastagság pontos mérésére, ami lehetővé teszi, hogy a csőanyagok kielégíthessék a velük szemben támasztott követelményeket. Összeállította: Dr. Barna Györgyné Wood, B. K.: Ultrasonic thickness gaging accuracy in tubulars. = Materials Evaluation, 63. k. 9. sz. 2005. p. 915–918. Longtao, L.; Cunfu, H. stb.: Guided wave inspection of long steel pipe using nonaxisymmetric end loading transducer. = Insight, 47. k. 11. sz. 2005. p. 692–696.
