Niet-destructief scheuren in bevestigingsmiddelen opsporen | Expert tips

Dit artikel geeft een overzicht van de huidige stand van de scheurdetectietechnologieën, inclusief hun voordelen en beperkingen, evenals hot topics en toekomstige ontwikkelingsrichtingen. Het is gebaseerd op bestaande methoden voor het opsporen van scheuren in bevestigingsmiddelen, met een focus op waveletanalyse en niet-destructief onderzoek met elektromagnetische pulsen.

Bevestigingsmiddelen worden op grote schaal gebruikt in verschillende technische gebieden, zoals machines, bouw, bruggen en olieproductie. Als basiscomponent van grote constructies zijn bevestigingsmiddelen gevoelig voor verschillende defecten, zoals scheuren, corrosie, putjes en door mensen veroorzaakte schade tijdens het gebruik.

Scheurtjes vormen een aanzienlijke bedreiging voor de veiligheid en betrouwbaarheid van constructies en instellingen, waardoor het opsporen van scheurtjes een essentieel aspect is van de evaluatie van constructies. Scheurdetectie omvat het identificeren en evalueren van scheuren in mechanische constructies om hun locatie en omvang te bepalen.

Met de vooruitgang van moderne machinefabricage, elektronica en computertechnologie is niet-destructief onderzoek (NDO) aanzienlijk verbeterd, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van geavanceerde technieken voor scheurdetectie.

Dit artikel geeft een overzicht van traditionele scheurdetectiemethoden en richt zich op de moderne NDO-methoden gebaseerd op waveletanalyse en elektromagnetische (wervelstroom) pulsen. Daarnaast belicht het de huidige hot topics en toekomstige ontwikkelingsrichtingen in scheurdetectietechnieken voor bevestigingsmiddelen.

1. Traditionele scheurdetectiemethode

Er zijn talrijke traditionele technieken voor het opsporen van scheuren, die in twee groepen kunnen worden onderverdeeld: conventionele en onconventionele opsporingsmethoden.

Conventionele detectiemethoden omvatten wervelstroomtesten, penetrant testen, magnetische deeltjes testen, stralingstesten en ultrasone testen. Tot de onconventionele detectiemethoden behoren akoestische emissietesten, infraroodtesten en laserholografische testen.

(1) Routinetestmethoden

Op dit moment worden conventionele testmethoden veel gebruikt voor het opsporen van eenvoudige scheuren op technische gebieden zoals machines, bouw en olieproductie. De gebruikte methoden variëren afhankelijk van de instelling.

Zo worden ultrasone testen voornamelijk gebruikt om metalen platen, pijpen, staven, gietstukken, smeedstukken en lassen te inspecteren, evenals betonnen constructies zoals bruggen en woningbouw. Röntgentests worden voornamelijk gebruikt om gietstukken en lassen te inspecteren in industrieën zoals de machine- en wapenindustrie, scheepsbouw, elektronica, lucht- en ruimtevaart en petrochemische industrie. Magnetische deeltjes testen worden voornamelijk gebruikt voor de inspectie van metalen gietstukken, smeedstukken en lassen. Penetratietesten worden voornamelijk gebruikt voor de inspectie van gietstukken, smeedstukken, lasstukken, poedermetallurgische onderdelen en non-ferro en ferrometaalproducten gemaakt van keramiek, kunststof en glas. Wervelstroomdetectie wordt voornamelijk gebruikt voor foutdetectie en materiaalsortering van geleidende buizen, staven en draden.

Voor het opsporen van scheuren in bevestigingsmiddelen kunnen ultrasone testen en wervelstroomdetectie worden gebruikt. In een experimentele studie werden bijvoorbeeld de beste wervelstroomdetectieparameters gevonden voor kleine scheurtjes in bevestigingsmiddelen. De resultaten van het onderzoek toonden aan dat de beste detectieparameters een lineaire relatie hadden tussen de parameters voor detectie van kleine scheuren in wervelstromen en het fasesignaal, wat belangrijk is voor het verbeteren van de nauwkeurigheid van detectie van kleine scheuren in staven en het selecteren van de wervelstroomdetectieparameters voor externe bevestigingsmiddelen. Wervelstroomdetectie heeft echter meer storende factoren en vereist speciale signaalverwerkingstechnieken.

Een andere methode die gebruikt wordt voor het opsporen van scheuren is de Lamb wave propagation energy spectrum structure crack detection method, die bekend staat om zijn sterke penetratievermogen, hoge gevoeligheid, snelheid en gemak. De methode heeft echter beperkingen zoals blinde vlekken en blokkades, wat kan resulteren in gemiste dichte scheuren. De methode is ook een uitdaging om de gevonden defecten kwantitatief en kwalitatief te karakteriseren.

Voor de meeste bevestigingsmiddelen worden magnetische partikeltests en fluorescerende foutdetectiemethoden gebruikt. Deze methoden zijn relatief efficiënt, maar ze verbruiken mankracht en materiaal en kunnen schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid. Bovendien worden inspecties vaak gemist door menselijke factoren.

(2) Niet-conventionele testmethoden

Als conventionele testmethodes er niet in slagen om scheuren in bevestigingsmiddelen te detecteren, kunnen onconventionele testmethodes als alternatief worden gebruikt.

Drie veelgebruikte onconventionele scheurdetectiemethoden zijn:

1) Akoestische emissietechnologie.

Akoestische emissietechnologie wordt algemeen erkend als de meest geavanceerde methode voor het detecteren van scheuren in drukhoudende apparatuur. Het is met succes gebruikt bij de veiligheidsbeoordeling van drukvaten en pijpleidingen en bij de detectie van scheuren in luchtvaart- en composietmaterialen. Op het gebied van scheurdetectie in roterende machines wordt het voornamelijk gebruikt voor het detecteren van scheuren in roterende assen, tandwielen en lagers.

Een van de belangrijkste voordelen van akoestische emissie is dat het een dynamische detectiemethode is, waarbij gebruik wordt gemaakt van energie die wordt uitgezonden door het object dat wordt getest in plaats van externe energie. niet-destructief onderzoek apparatuur zoals ultrasone of radiografische testen. Dit maakt het zeer gevoelig voor defecten en in staat om de status van actieve defecten in de gehele structuur te detecteren en te evalueren.

Er zijn echter ook enkele nadelen waar rekening mee moet worden gehouden. Akoestische emissiedetectie wordt sterk beïnvloed door het materiaal dat getest wordt en kan verstoord worden door elektrische en mechanische ruis in de testomgeving. Bovendien kan de nauwkeurigheid van de detectie beperkt worden door een lage positioneringsnauwkeurigheid en is de informatie die verkregen wordt uit de scheuridentificatie vaak beperkt.

2) Infrarooddetectie.

Infraroodtechniek voor niet-destructief onderzoek (NDT) wordt veel gebruikt in verschillende industrieën, waaronder energieapparatuur, petrochemische apparatuur, mechanische verwerking, branddetectie, gewasanalyse en het opsporen van defecten in materialen en onderdelen.

Een van de grote voordelen van infrarood NDO is dat het een contactloze testtechnologie is die veilig, betrouwbaar, ongevaarlijk voor mensen en zeer gevoelig is. Het heeft een groot detectiebereik, is snel en heeft geen invloed op het te testen object. Het heeft ook een hoge ruimtelijke resolutie over lange afstanden.

Er zijn echter ook enkele nadelen waarmee rekening moet worden gehouden. De detectiegevoeligheid van infrarood is afhankelijk van de thermische emissiviteit van het testobject en kan beïnvloed worden door oppervlakte-interferentie en achtergrondstraling. De resolutie van het originele monster is slecht, waardoor het moeilijk is om de vorm, grootte en positie van defecten nauwkeurig te meten, vooral als ze klein of diep begraven zijn.

Daarnaast is de interpretatie van testresultaten complex en zijn er referentiestandaarden nodig, en moeten operators getraind worden om de technologie effectief te gebruiken.

3) Laser holografische detectie.

Laserholografische detectie wordt voornamelijk gebruikt voor de inspectie van diverse structuren, zoals honingraatstructuren, composietmaterialen, omhulsels van raketmotoren, isolatielagen, coatinglagen en interfaces van drijfgaskorrels om defecten op te sporen. Het wordt ook gebruikt voor de beoordeling van de kwaliteit van soldeerverbindingen van printplaten en de detectie van vermoeiingsscheuren in drukvaten.

Deze methode biedt verschillende voordelen, waaronder gebruiksgemak, hoge gevoeligheid, geen speciale vereisten voor het geteste object en de mogelijkheid om een kwantitatieve analyse van defecten uit te voeren.

Een van de nadelen is echter dat diep ingegraven loslatende defecten alleen gedetecteerd kunnen worden als het loslatende oppervlak aanzienlijk is.

Bovendien vereist laser holografische detectie meestal een donkere kameromgeving en strikte trillingsisolatiemaatregelen, waardoor het minder geschikt is voor testen op locatie en bepaalde beperkingen heeft.

2. Nieuwe moderne scheurdetectietechnologieën

Met de vooruitgang in wetenschap en technologie is er een groeiende vraag naar geavanceerdere methoden voor het opsporen van scheuren in verschillende technische gebieden, zoals machinebouw, bouw en olieproductie. Dit heeft geleid tot de opkomst van nieuwe technologieën voor het opsporen van scheuren.

Signaalverwerking en niet-destructief onderzoek met elektromagnetische (wervelstroom) pulsen zijn twee van de meest gebruikte en effectieve nieuwe technologieën voor het detecteren van scheuren. Deze methoden bieden efficiënte en betrouwbare oplossingen voor het identificeren van scheuren in verschillende toepassingen.

(1) Scheurdetectiemethode gebaseerd op waveletanalyse

Met de vooruitgang van de signaalverwerkingstechnologie zijn er verschillende scheurdetectiemethoden op basis van signaalverwerking ontstaan, waaronder tijd-, frequentie- en tijd-frequentie-domein methoden zoals Fouriertransformatie, Fouriertransformatie in korte tijd, Wigner-Ville distributie, Hilbert-Huang transformatie (HHT) en blinde bronscheiding.

Van deze methoden is waveletanalyse de meest gebruikte en meest representatieve.

Scheuridentificatiemethoden met behulp van waveletanalyse kunnen in twee categorieën worden verdeeld:

① Tijddomein responsanalysemethode:

Deze methode omvat het gebruik van de singuliere punten van de decompositiekaart in het tijdsdomein, de verandering van waveletcoëfficiënten en de energieverandering na waveletdecompositie. Het doel van deze methode is om het moment te identificeren waarop scheurschade optreedt.

② Ruimtelijke responsgebaseerde analysemethode:

Deze methode gebruikt de ruimtelijke positie van de ruimtelijke as in plaats van de tijdas van het reactiesignaal in het tijdsdomein voor waveletanalyse, met de respons in het ruimtedomein als invoer. Met deze methode kan de locatie van de scheur worden bepaald.

Terwijl de waveletmethode zelf alleen het moment waarop schade optreedt of de locatie van de schade kan bepalen, heeft de eerstgenoemde methode meer toepassingen. Om kleine scheuren te identificeren, moet waveletanalyse worden gecombineerd met andere methoden.

(2) Niet-destructief onderzoek met elektromagnetische pulsen (wervelstroom)

Elektromagnetische technologie combineert meerdere functies zoals ultrasone detectie, wervelstroombeeldvorming, wervelstroomarray en gepulseerde wervelstroomdetectie tot geavanceerde nieuwe technologieën voor elektromagnetische inspectie.

Gangbare scheurdetectietechnologieën zijn onder andere gepulste wervelstroomtests, gepulste wervelstroomthermische beeldvorming, niet-destructief testen met twee sondes met gepulste wervelstroom en elektromagnetische akoestische transducer (EMAT) en testtechnologie met metalen magnetische geheugens.

Bij gepulseerde wervelstroomtests wordt een spoel geprikkeld met een pulsstroom, wordt het door de detectiesonde geïnduceerde transiënte responssignaal in het tijddomein geanalyseerd en worden scheuren kwantitatief gedetecteerd door de piekwaarde, de nuldoorgangstijd en de piektijd van het signaal te selecteren.

Onderzoek door Yang Binfeng en anderen aan de National University of Defense Technology heeft aangetoond dat gepulste wervelstroom scheuren van verschillende diepten kwantitatief kan detecteren met slechts één scan. Sommige onderzoekers gebruiken harmonische spoelen als alternatieve technologie voor gepulseerde wervelstroomtests.

De piekwaarde van het gepulseerde wervelstroomsignaal wordt echter gemakkelijk beïnvloed door andere factoren zoals het lift-off effect en het detectievermogen van de gepulseerde wervelstroommeter kan ook van invloed zijn op de scheurdetectie.

Instrumenten voor beeldvorming met gepulseerde wervelstroom gebruiken spoelen als inspectiesensoren, terwijl sommige Hall-sensoren gebruiken. In de afgelopen jaren zijn super kwantum interferentie instrumenten in gebruik genomen op het gebied van niet-destructieve inspectie.

Gepulseerde wervelstroomthermische beeldvormingstechnologie elimineert het lift-off effect bij andere detecties en zorgt voor nauwkeurige beeldvormingsresultaten. Sommige onderzoekers gebruiken YNG laserstralen met een Gaussische bundelvorm op het oppervlak van metalen platenZe maken gebruik van gepulseerde wervelstroom- en elektromagnetische akoestische transducer-detectietechnologie. Ze identificeren scheuren door een plotselinge verandering in de ultrasone golfvorm of een plotselinge toename in frequentiecomponenten te detecteren wanneer de laserstraal de scheur bestraalt.

3. Hotspots voor scheuronderzoek

Momenteel is het onderzoek naar de detectie van scheuren in bevestigingsmiddelen beperkt tot traditionele detectiemethoden. Om de detectietechnologie te verbeteren en praktische toepassingsproblemen aan te pakken, ligt de focus van de identificatie van scheurschade voornamelijk op twee aspecten: statistische identificatiemethoden die rekening houden met de impact van onzekerheid en de identificatie van microscheurtjes in bevestigingsmiddelen.

De onzekerheid van het opsporen van scheurschade vereist het gebruik van statistische inferentiemethoden om het systeemidentificatieprobleem aan te pakken. Met de vooruitgang van het onderzoek naar schade-identificatie is de studie van schade-identificatiemethoden gebaseerd op probabilistische statistische theorie verdiept, met als huidige belangrijkste toepassingsgebieden systeemidentificatie en patroonherkenning.

Er zijn momenteel methoden voor het detecteren van microscheurtjes in bevestigingsmiddelen, zoals microscheurdetectie op basis van ICT-technologie en laser ultrasoon gieten op basis van lasergestuurde verwarming, maar beide hebben beperkingen. Zo kan detectie van microscheurtjes op basis van ICT-technologie moeite hebben met het onderscheiden van details als de grijswaarde in het verzamelde beeld niet veel verschilt van de grijswaarde in de achtergrond, wat de beeldkwaliteit beïnvloedt en beeldacquisitie moeilijk maakt. Bovendien is het onzeker om het ruimtelijke bereik met alle microscheurtjes te extraheren bij gebruik van VG Studio MAX-software. De beperking van de lasergestuurde verwarmingsmethode op basis van laser-ultrasone projectie is dat deze ingewikkeld te bedienen is en niet kan worden gebruikt in ruwe omgevingen, dus deze methode moet nog verder worden ontwikkeld.

Omdat de sociale economie zich blijft ontwikkelen, worden de eisen voor methoden om scheuren in bevestigingsmiddelen op te sporen steeds hoger. Deze methoden moeten voldoen aan de eisen van real-time online detectie, zeer gevoelig en eenvoudig te bedienen zijn, bestand zijn tegen externe interferentie en kunnen werken onder zware omstandigheden. Ze moeten ook snel en nauwkeurig de locatie, grootte, breedte, diepte en ontwikkelingstrend van scheuren detecteren, testresultaten weergeven in beelden die geanalyseerd kunnen worden en een snelle detectiesnelheid, hoge efficiëntie en intuïtieve resultaten bieden.

4. Conclusie

Er is uitgebreid onderzoek gedaan naar de identificatie van schade aan bevestigingsmiddelen, maar de huidige methoden en indicatoren voor schade-identificatie zijn beperkt tot traditionele detectiemethoden. Gezien de kosten van testapparatuur, de omgeving waarin ze worden gebruikt en menselijke factoren, is de detectie van meervoudige scheuren en microscheuren in bevestigingsmiddelen een actueel onderzoeksgebied.

De ontwikkelingsrichting van scheurdetectie bij bevestigingsmiddelen is snelle positionering, nauwkeurige kwantificering, verbetering van de detectienauwkeurigheid en betrouwbaarheid en snelle en effectieve scheurdetectie.