Evangelos HRISTOFOROU
National Technical University of Athens, Athens, Greece

Bezdefektowa produkcja i przetwarzanie stali bazująca na monitorowaniu stanu naprężenia i zdrowieniu

Bezdefektowa produkcja i przetwarzanie stali (FASTEP) stanowi nową metodę i technologię kontrolowania rozkładu naprężeń powierzchniowych i objętościowych oraz rehabilitacji w stalach, bazującą na monitorowaniu rozkładu naprężeń i drowieniu poprzez zlokalizowane ogrzewanie indukcyjne. Rozkład naprężeń jest kontrolowany poprzez monitorowanie rozkładu przenikalności różnicowej; nasza grupa udowodniła, że naprężenia szczątkowe zależą od takiej przenikalności różnicowej. Przedstawiono trzy typy czujników przenikalności. Pierwszy z nich wykorzystuje czujniki Halla w układzie z magnesem trwałym – miękkim magnetycznym jarzmem, oferując monitorowanie przenikalności niezależne od magnetycznego pola otoczenia. Drugi z nich to raczej klasyczny układ cewek z precyzyjną kalibracją, podczas gdy trzeci opiera się na czujniku siły umieszczonym pomiędzy magnesem trwałym a stalą poddaną testowi. Badania tego samego typu stali zostały wykonane przy użyciu wszystkich trzech typów czujników a uzyskane wyniki cechuje dobra zgodności i niskiej niepewność. Zdrowienie zostało zrealizowane poprzez ogrzewanie indukcyjne, z wykorzystaniem wysokoprądowego generatora impulsów, opartego na generatorze wysokonapięciowym. Zlokalizowane ogrzewanie zostało zamodelowane z wykorzystaniem metody elementów skończonych oraz skalibrowane przez precyzyjną kamerę na podczerwień. Wyniki pokazują, że nierównomierność naprężeń jest zmniejszona o dwa rzędy wielkości poprzez monitorowanie naprężeń a następnie indukcyjne wyżarzanie cieplne.

Yasuhiro KAMADA
Iwate University, Morioka, Japonia

Zastosowanie pętli histerezy magnetycznej i elektromagnetycznego rezonansu akustycznego dla nieniszczącej oceny jakości materiałów w komponentach samochodowych.

Pomiar magnetycznej pętli histerezy (MHL) jest jednym ze skutecznych narzędzi do oceny właściwości mechanicznych stali w sposób nieniszczący. Ma zastosowanie w celu zapewnienia jakości materiałów podczas procesu produkcyjnego, a także do diagnozowania degradacji materiałów w trakcie eksploatacji. Niniejsza prezentacja skupia się na pierwszym zagadnieniu i opisuje dwa przykłady. Pierwszym z nich jest oszacowanie twardości stali wytłaczanych na gorąco dla komponentów samochodowych. Wykorzystując dwa parametry koercji i remanencji w stalach MHL, udało nam się określić twardość Vickersa nawet bez znajomości informacji o grubości warstw tlenku powierzchniowego. Drugi przykład to nieniszcząca ocena zarówno wytrzymałości na rozciąganie, jak i twardości Brinella dla żeliwa o różnej morfologii grafitu i mikrostrukturach matrycowych. Połączenie pomiaru MHL i elektromagnetycznego rezonansu akustycznego (EMAR) jest kluczowym czynnikiem osiągniętego sukcesu.

Gabor VÉRTESY
Hungarian Academy of Sciences, Centre for Energy Research, Budapeszt, Węgry

Badania nieniszczące degradacji stali reaktora za pomocą magnetycznych badań adaptacyjnych

Degradację stalowego zbiornika ciśnieniowego reaktora jądrowego badano za pomocą nowej magnetycznej metody badań nieniszczących, tzw. magnetycznej próby adaptacyjnej (Magnetic Adaptive Testing, MAT), opartej na systematycznym pomiarze i ocenie małych pętli histerezy magnetycznej. W pierwszej serii pomiarów próbki materiału stalowego reaktora zostały poddane starzeniu poprzez specjalne stopniowe chłodzenie termiczne. Proces ten wykorzystano do przyspieszonej oceny wrażliwości na starzenie termiczne. Głównym założeniem przy wyborze obróbki termicznej było wywołanie podobnych zmian mikrostrukturalnych, które zachodzą przy napromienieniu. Zmierzono trzy próbki Charpy’ego z materiału 15Kh2NMFA oraz trzy próbki Charpy’ego z materiału A508 Cl2. Stwierdzono, że po tego typu degradacji można łatwo przeprowadzić pomiary magnetyczne. Wykonano również próbę udarności Charpy’ego, której wynik porównano z parametrem magnetycznym. Stwierdzono dobrą, wiarygodną i ściśle liniową korelację pomiędzy odpowiednio dobranym deskryptorem magnetycznym a temperaturą przejścia w przypadku materiału 15Kh2NMFA. W drugiej serii pomiarów próbki o różnym składzie chemicznym były napromieniowywane neutronami, a następnie mierzone tą metodą magnetyczną w gorącej komorze. Stwierdzono, że napromieniowanie neutronowe powoduje dobrze mierzalne zmiany w parametrach magnetycznych. Parametry magnetyczne były wrażliwe zarówno na fluencję neutronów, jak i na temperaturę napromieniowania. Nasze eksperymenty dowodzą przydatności metody MAT w przemyśle jądrowym.

Bolesław AUGUSTYNIAK
NNT Sp. z o.o , Gdańsk

Magnetyczne NDT – szansa dla przemysłu 4.0

Prezentacja dostarcza argumentów, które dowodzą tezy, że magnetyczne techniki nieniszczące mają szczególne i unikalne cechy, które sprawiają, że techniki te są bardzo rekomendowane do zastosowania w przemyśle 4.0. Prezentację rozpoczyna przegląd relacji pomiędzy przemysłem 4.0 i badaniami nieniszczącymi NDT a po nim następuje opis specyficznych cech magnetycznych metod badań NDT. Główna część prezentacji dotyczy opisu przykładów zaproponowanych przez NNT dla rynku przemysłowego 4.0 nowatorskich magnetycznych technik diagnozowania stanu konstrukcji stalowych. Przykłady te dotyczą trzech następujących zagadnień: 1) oceny stanu naprężenia z wykorzystaniem efektu szumów Barkhausena, 2) wykrywania uszkodzeń mikrostruktur za pomocą emisji magnetoakustycznej i prądów wirowych, 3) bezkontaktowego wykrywania nieciągłości za pomocą detekcji wycieku strumienia pola magnetycznego i techniki impulsów magnetostrykcyjnych. Podsumowanie istotnych właściwości przedstawionych przykładów magnetycznych technik NDT oraz uwagi końcowe kończą prezentację.

Marek AUGUSTYNIAK
Politechnika Gdańska/zespół InnoKompas

Energia z morskiego wiatru – osiągnięcia, wyzwania i potencjał dla diagnostyki

W obliczu przewidywanej w niedalekiej przyszłości instalacji pierwszych polskich morskich farm wiatrowych uzasadnione jest omówienie najnowocześniejszych rozwiązań w zakresie monitorowania stanu tych obiektów i określenie optymalnej strategii rozwoju lokalnych firm produkcyjnych i/lub inspekcyjnych.
Prezentacja obejmuje następujące tematy:
– Wprowadzenie – Morska energia wiatrowa.
– Nomenklatura: SHM / CM / CBM / NDT; cztery poziomy wykrywania uszkodzeń.
– Główni gracze na rynku: firmy handlowe, krajowe i międzynarodowe organizacje związane
z energetyką wiatrową, duże laboratoria NDT pracujące dla energetyki wiatrowej.
– Monitorowanie poziomów turbin wiatrowych (farma / turbina / komponenty) i awarie
specyficzne dla każdego komponentu – łopaty, wieży, fundamentu, generatora, przekładni.
Wyzwania związane z optymalizacją kosztową i techniczną utrzymania farmy wiatrowej.
– Trzy dojrzałe komercyjnie techniki monitorowania stanu wiatraków: wibrometria, analiza
cząstek oleju, światłowodowe tensometry; wyzwania specyficzne dla instalacji morskich.
– Rodzaje NDT, w szczególności techniki dotyczące łopatek kompozytowych; metody
kontaktowe / bezkontaktowe; szczególny nacisk na metody elektromagnetyczne.
– Przetwarzanie sygnału i wspomagana komputerowo interpretacja danych stochastycznych i
niejednoznacznych; rola symulacji (FEA) we wspieraniu NDT: generowanie bazy danych
możliwych przypadków dla algorytmów sztucznej inteligencji.
– Standaryzacja badań nieniszczących turbin wiatrowych.
– Trendy technologiczne i ich ograniczenia (np. bezprzewodowe systemy czujników – odzysk
energii środowiskowej).
– Dodatkowe wyzwanie: diagnostyka statków obsługujących farmy wiatrowe, zwłaszcza
jednostek typu Jack-Up.
– Widoku z lotu ptaka: realne perspektywy energetyki wiatrowej w Polsce i jej strefie
bałtyckiej.
Podziękowanie
Przegląd przygotowywany jest we współpracy z FEM4CAD – firmą specjalizującą się w modelowaniu jednostek offshore typu Jack-Up, oraz zespołu konsultingowego InnoKompas.

Jerzy OKRAJNI
Politechnika Śląska, Gliwice

Diagnostyka stanu elementów instalacji energetycznych przy zastosowaniu metod komputerowego modelowania

W pracy przedstawione zostaną rezultaty badań elementów konwencjonalnych instalacji bloków energetycznych po wielu latach ich eksploatacji. Omówione zostaną przebiegi zmian w czasie ich parametrów użytkowania w tym ciśnienia, temperatury oraz natężenia przepływu pary. Na tej podstawie zaprezentowane zostanie zagadnienie formułowania warunków brzegowych do analizy pól temperatury, naprężeń i odkształceń w wybranych elementach o złożonym kształcie. Przedstawione będą przykłady lokalnych charakterystyk odkształcania wyznaczonych na podstawie analizy MES. Omówiony będzie problem doboru kryteriów trwałości materiału w zależności od charakteru obciążeń cieplno-mechanicznych. Szczególna uwaga zostanie zwrócona na związek pomiędzy przyjmowanymi warunkami brzegowymi i rezultatami obliczeń w kontekście możliwości walidacji modeli komputerowych w oparciu o wyniki badań temperatury w wybranych punktach elementów instalacji. Rezultaty analizy z wykorzystaniem MES porównane będą z doświadczeniami użytkowników instalacji energetycznych.

Aphrodite KTENA
National & Kapodistrian University of Athens, Greece

Przenikalność magnetyczna jako metryka dla NDT

Przenikalność magnetyczna jest makroskopową właściwością materiałów magnetycznych, która odzwierciedla istniejącą w czasie pomiaru mikrostrukturę i jej oddziaływanie z zewnętrznymi bodźcami, takimi jak stosowane pole magnetyczne, naprężenia mechaniczne, temperatura. Interpretacja i korelacja przenikalności magnetycznej z parametrami mikrostrukturalnymi lub właściwościami magnetycznymi właściwymi dla danego materiału wymaga jednak szczególnej uwagi, ponieważ odnosi się ona do głębszego zrozumienia procesu magnesowania materiału. W zastosowaniach praktycznych zamiast μ=Β/Η stosuje się pomiar różniczkowej przenikalności magnetycznej w funkcji zastosowanego pola magnetycznego μdiff = dB/dH. W niniejszym opracowaniu badamy zależność μdiff od odkształcenia i wielkości ziarna badanego materiału oraz wykorzystanie μdiff jako wskaźnika metrycznego do wyznaczania pola rozciągającego w stalach. Wyniki są porównywane z pomiarami 2D VSM i innymi parametrami, np. uzyskanymi z pomiarów szumu Barkhausena. Wynikiem badania wpływu wielkości ziaren na odpowiedź magnetyczną jest to, że napięcie RMS szumu Barkhausena wykazuje bardziej spójne zachowanie niż μdiff. Pomimo tego μdiff jest stosowany do oceny poziomu mechanicznej deformacji materiałów magnetycznych, takich jak stale. Wreszcie, proponujemy zastosowanie pierwszej pochodnej z różniczkowej przenikalności jako dodatkowej metryki w zakresie odkształceń plastycznych.

Marcos FLAVIO DE CAMPOS
Federal Fluminense University, Volta Redonda RJ – BRAZYLIA

Osiągnięcia w zakresie mikromagnetycznych technik ceny stopnia plastycznego odkształcenia stali

Badanie odkształceń plastycznych i naprężeń szczątkowych metodami nieniszczącymi ma duże znaczenie dla przemysłu. W artykule omówiono różnicę między odkształceniem plastycznym i sprężystym oraz ich wpływ na pomiary magnetyczne, jak również pętlę histerezy magnetycznej i magnetyczny szum Barkhausena. Dane dotyczące naprężeń szczątkowych uzyskane przy pomocy pomiarów magnetycznych porównuje się z danymi uzyskanymi przy pomocy metody wiercenia otworów i pomiarów dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. Poziom naprężenia szczątkowego uzyskany za pomocą tych trzech różnych metod jest różny, ponieważ te trzy techniki oceniają próbkę na różnych głębokościach. Omówiono również wpływ tekstury krystalograficznej na naprężenia szczątkowe. Czynnik magnetoelastyczny powinien być włączony do metod mikromagnetycznych do oceny naprężeń szczątkowych. Omówiono, jak należy wyrażać energię elektromagnetyczną Hamiltona w celu oceny odkształcenia sprężystego. Deformacja plastyczna może być uwzględniona w modelach mikromagnetycznych jako czynnik, który zwiększa pole koercji w miękkich materiałach magnetycznych, takich jak stale.

M. J. SABLIK
Applied Magnetic and Physical Modeling, San Antonio, TX, USA, 78240

Predykcja właściwości magnetycznych zdeformowanej plastycznie stali krzemowej

Jest to przegląd jak używać teorii histerezy magnetycznej dostarczonej przez Jiles’a, Atherton’a i Autora do przewidywania własności magnetycznych plastycznie odkształconych materiałów magnetycznych. W tym celu wykorzystuje się Prawo Ludwika do oceny naprężeń odkształcających, aby obliczyć gęstość dyslokacji i wprowadzić ją do obliczeń histerezy magnetycznej. Nieliniowa ekstrapolacja jest stosowana w obszarze nieciągłego płynięcia w celu uzyskania wartości naprężenia w punkcie plastyczności, która jest stosowana w dopasowaniu prawa Ludwika do danych mechanicznych.
Obliczona histereza magnetyczna wykazuje ostre ścinanie pętli histerezy przy małej deformacji, zgodnie z danymi doświadczalnymi. Strata energii na histerezę magnetyczną wykazuje również zależność podobną do opisanej prawem Ludwika od odkształcenia resztkowego, ale z mniejszym wykładnikiem Ludwika w porównaniu z wynikami badań mechanicznych.

L. B. MAGALAS
Akademia Górniczo Hutnicza im. St. Staszica, Kraków

Nowe przykłady zastosowań wysokorozdzielczej spektroskopii mechanicznej HRMS w badaniach nieniszczących materiałów metalicznych

Wysokorozdzielcza spektroskopia mechaniczna (HRMS) umożliwia niezwykle dokładny pomiar bezwzględnej wartości modułu sprężystości (E i G) i ich subtelnych (dotychczas niemierzalnych) zmian względnych w materiałach poddanych różnym procesom obróbki cieplnej, cieplno-mechanicznej lub odkształceniu plastycznemu. Oznacza to de facto nowe możliwości badań diagnostycznych materiałów metalicznych po różnym okresie ich eksploatacji w warunkach przemysłowych. Tak uzyskana wartość modułu sprężystości, skorelowana z pomiarem wielkości rozproszonej energii mechanicznej, umożliwia śledzenie subtelnych zmian modułu spowodowanych ewolucją mikrostruktury, struktury dyslokacyjnej, gęstości defektów punktowych, udziału ilościowego faz oraz możliwość detekcji pojawiania się niewielkich ilości nowych faz, analizy procesu wydzieleń, mikropęknięć, itp. Zmiany te są bardzo trudne do wykrycia w klasycznych badaniach mikroskopowych i dyfrakcyjnych, co oznacza że tego typu informacje są trudno osiągalne w klasycznych badaniach nieniszczących (NDT).
W pracy przedstawimy nowe metody analizy odkształceń niesprężystych stopów metali w oparciu o zoptymalizowaną interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera i transformatę Hilberta. Tak uzyskane wyniki badań w znakomity sposób podnoszą dokładność pomiarów i obniżają poziom tła rozpraszanej przez próbkę energii mechanicznej o niemal dwa rzędy wielkości. Tak duży, skokowy rozwój nowych metod badawczych w dziedzinie spektroskopii mechanicznej uzyskano dzięki zastosowaniu unikatowych rozwiązań z zakresu przetworników A/D i D/A, usunięciu błędów pomiarowych związanych z cyfrowym próbkowaniem i przetwarzaniem sygnałów oraz zastosowaniu dedykowanych procesorów z własnym oprogramowaniem. Opracowane rozwiązania umożliwiły skokowy rozwój dotychczas stosowanych metod pomiarowych i stworzenie wysokorozdzielczej spektroskopii mechanicznej, HRMS, zarówno w zakresie rezonansowym, jak i subrezonansowym. Wyniki badań uzyskane metodą HRMS można zastosować w badaniach nieniszczących do diagnozowania degradacji materiałów z których wykonane są np. walczaki i krytycznie obciążone elementy rurociągów. Z punktu widzenia badań NDT niezwykle ważna jest informacja mówiąca o możliwości przeprowadzenia badań w warunkach przemysłowych i bez konieczności wycinania próbki z badanej instalacji/urządzenia. Nie ma jednej odpowiedzi na tak postawiony problem. W pewnych sytuacjach wystarczającym jest standardowy pomiar przeprowadzony w warunkach przemysłowych. Najczęściej jednak koniecznym jest pobranie próbki o niewielkich wymiarach geometrycznych i przeprowadzenie badań w warunkach laboratoryjnych. Takie próbki można pobrać w trakcie planowanych remontów walczaków, rurociągów lub innych urządzeń i z reguły są one wystarczające do przeprowadzenia badań metodą HRMS.
Konkludując, należy podkreślić, że celowym jest uzupełnianie rutynowych procedur NDT zaawansowanymi badaniami naukowymi, które często wnoszą zupełnie nowe informacje i rzucają nowe światło na trudno poznawalne procesy degradacji materiałów. Wniosek ten dotyczy zarówno materiałów stosowanych w urządzeniach miniaturowych, jak np. elementy wykonane ze stopów metali stosowane w wysokiej klasy manometrach mechanicznych, jak i w elementach używanych w trakcie wyrafinowanych badań fal grawitacyjnych oraz w mniej ekscytujących standardowych badaniach przemysłowych NDT.
Duże znaczenie praktyczne badań procesów degradacji materiałów zmusza nas do ciągłego poszukiwania nowych rozwiązań i metod badawczych oraz nowego spojrzenia na „stare” problemy. Cel ten udało nam się osiągnąć dzięki zastosowaniu multidyscyplinarnych rozwiązań z różnych dziedzin nauki daleko wykraczających poza zakres inżynierii materiałowej i badań nieniszczących.

Zbigniew RANACHOWSKI
Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, Warszawa

Zastosowanie metody emisji akustycznej w diagnostyce obiektów technicznych

W prezentacji zawarto opis metody badania Emisji Akustycznej (EA), w tym mechanizm generacji i propagacji fal sprężystych. Została omówiona norma europejska zawierająca zalecenia odnośnie stosowania metody EA. Następnie opisano aparaturę do obróbki sygnału EA oraz parametry służące do charakteryzowania zarejestrowanego sygnału, zwane deskryptorami: zliczenia, zdarzenia, próg dyskryminacji, komponenty widmowe. Prezentacja obejmuje przykłady najpopularniejszych zastosowań metody EA, t.j. : lokacja źródeł sygnału, wydzielenie obszaru monitorowanego, badania elementów żelbetowych, efekt Kaisera, efekt Felicity, badanie zbiorników ciśnieniowych i bezciśnieniowych, rur z włókna szklanego, transformatorów energetycznych, silników Diesla i prętów hartowanych. Niektóre w w/w zastosowań mają charakter przemysłowy, a inne są na etapie testów laboratoryjnych. Zamieszczono również porównanie zalet i wad prezentowanej metody w porównaniu do innych metod nieniszczących.