EMAT v praxi: Moderný prístup k nedeštruktívnej kontrole materiálov

V oblasti údržby a diagnostiky rôznych typov nádrží, je trendom využívanie kontroly bez vstupu personálu do monitorovaného objektu. Cieľom je zabezpečiť výkon kontroly spôsobom, ktorý prinesie vyššiu efektívnosť, nižšie náklady a zvýšenie úrovne bezpečnosti pri výkone práce. Pri diagnostike nádrží sa využíva v oblasti nedeštruktívnej kontroly viacero rôznych kontrolných metód. Využitie jednotlivých metód závisí od podmienok v objekte a od stanovenej požiadavky kontrolnej činnosti. Použitie jednotlivých metód je na jednej strane limitované zo strany podmienok v objekte, na druhej strane z technologickej stránky použitej techniky a zvolenej metódy kontroly.

Čo je EMAT?

EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer) je špeciálny typ snímača, ktorý využíva elektromagnetickú indukciu na generovanie a zachytávanie ultrazvukových vĺn v elektricky vodivých materiáloch (napr. kovy). Na rozdiel od tradičných piezoelektrických ultrazvukových snímačov EMAT nevyžaduje priamy kontakt alebo spojovací prostriedok (napr. gél), čo ho robí ideálnym pre automatizované a vysokoteplotné aplikácie.

Charakteristika EMAT

• Bezkontaktné meranie – funguje bez potreby priameho kontaktu alebo média medzi snímačom a materiálom.

• Vhodné pre náročné podmienky – odoláva vysokým teplotám, hrubým povrchom a agresívnym prostrediam.

• Univerzálne využitie – vhodný na meranie hrúbky, detekciu trhlín, kontrolu zvarov a analýzu mechanických napätí.

• Nepotrebuje spojovací prostriedok – na rozdiel od klasických ultrazvukových metód.

Výhody EMAT v praxi

• Rýchlosť a efektivita – vhodný pre priemyselné inline kontroly.

• Spoľahlivosť – minimalizuje chyby spôsobené kontaktnými metódami.

• Flexibilita – možnosť použitia na rôzne kovové materiály (oceľ, hliník, meď atď.).

EMAT predstavuje moderný prístup v NDT, ktorý nachádza uplatnenie v letectve, automobilovom priemysle, energetike a ďalších odvetviach vyžadujúcich presnú a rýchlu diagnostiku materiálov.

Princíp fungovania EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer)

EMAT je založený na elektromagnetickej generácii a detekcii ultrazvukových vĺn v elektricky vodivých materiáloch (napr. kovoch) bez potreby priameho kontaktu. Funguje na základe troch hlavných fyzikálnych javov:

1. Generovanie ultrazvuku (vysielanie)

• Magnetické pole – EMAT obsahuje permanentný magnet alebo elektromagnet, ktorý vytvára statické magnetické pole v materiáli.

• Vírivé prúdy – cievka snímača, napájaná vysokofrekvenčným striedavým prúdom, indukuje v povrchu materiálu vírivé prúdy.

• Lorentzova sila – V dôsledku interakcie medzi vírivými prúdmi a magnetickým poľom vzniká Lorentzova sila, ktorá mechanicky rozkmitá atómy materiálu a vygeneruje ultrazvukovú vlnu.

2. Šírenie ultrazvuku v materiáli

Generované vlny môžu byť:

• Povrchové vlny (Rayleigh, Lamb) – pre kontrolu povrchových chýb.

• Vnútorné vlny (pozdĺžne, priečne) – pre skúmanie vnútorných defektov.

Vlny sa šíria materiálom a odrážajú sa od rozhraní alebo chýb (trhliny, vzduchové póry, a iné).

3. Detekcia ultrazvuku (prijímanie signálu)

Odrazené vlny spôsobia mechanické kmitanie atómov v materiáli. Tieto kmity v magnetickom poli indukujú zmenu magnetického toku, ktorú detekuje cievka snímača (na princípe spätnej elektromagnetickej transformácie). Signál sa následne spracuje a vyhodnotí (analógia s klasickým ultrazvukom, ale bez potreby piezoelektrika alebo spojovacieho média).

Vnútorná kontrola povrchu nádrže.

 

Kľúčové výhody oproti klasickej ultrazvukovej metóde

• Bezkontaktný princíp – žiadny gél ani priamy kontakt s povrchom. Vzdialenosť od povrchu do 7 mm.

• Vhodný pre náročné prostredia – Odolný voči vysokým teplotám, nečistotám alebo korózii.

• Minimálna príprava povrchu – Nie je potrebné brúsenie ani odstraňovanie oxidov.

CODA zariadenie

CODA je zariadenie spoločnosti Innerspec technologies so sídlom v USA a s pobočkou pre EÚ v Španielsku. Ide o pokročilé EMAT zariadenie, ktoré v sebe spája nielen EMAT funkcionalitu, ale aj podporu PIEZO sond a viacero aplikačných využití založených na technológii EMAT alebo na kombinácii EMAT sond a PIEZO sond. Zariadenie bolo špecificky navrhnuté pre EMAT aplikačné využitie. Tomu zodpovedajú pokročilé filtre a spracovanie signálu a výber z viac ako 20 rôznych EMAT snímačov.

CODA+ sa vyrába v 3 verziách, ktoré sa líšia HW a SW vybavením. CODA+ SM obsahuje všetky aplikačné možnosti využitia. Aplikačne pokrýva zariadenie v súčasnosti nasledovné (niektoré aplikácie sú aktuálne v testovaní pred vydaním):

• Bodové merania hrúbok (EMAT, DCUT, PIEZO)

• Mapovanie hrúbok do mriežky so záznamom

• Mapovanie s enkodérom so záznamom C-scan

• Anizotropia (EMAT)

• Meranie vnútorného napätia železničných kolies

• Meranie napätia na mostných konštrukciách

• Využitie klasických kontaktných ultrazvukových sond pre kontrolu a detekciu materiálových vád

• Meranie zaťaženia skrutiek konštrukcií

 

Príklady z praktického aplikačného využitia CODA EMAT v SR a ČR

Kontrola mostnej konštrukcie na zostatkovú hrúbku nosných prvkov

Kontrola mostnej konštrukcie železničného mosta. Výsledkom je viac ako 500 meracích bodov v mriežke za ca. 5 hodinový úsek merania. Merané cez vodivý náter. Bez prípravy povrchu a jeho čistenia. Občasné hrubé čistenie povrchu.

 

Meranie zostatkovej hrúbky materiálu pri potrubiach napadnutých biologickou koróziou

Pri potrubiach napadnutých biologickou koróziou sa stáva, že materiál generuje značný šum. Pri pokusoch o zmeranie hrúbky rôznymi EMAT zariadeniami bola úspešnosť rôzna. V zásade platilo, čím sofistikovanejšie a drahšie zariadenie s možnosťou pokročilých filtrov a s výberom rôznych sond, tým bol výsledok presnejší a meranie jednoduchšie. Dve z troch zariadení neboli schopné dostatočne preukazne merať. Pri zariadení CODA bol výsledok výborný a ultrazvukový signál čistý a jednoznačný.

 

Ďalšie aplikácie v praxi

• Meranie zostatkovej hrúbky materiálu potrubia pokrytého hrubým povlakom tlmiacim vysokú teplotu a pri teplotách do 650°C.

• Meranie vnútornej kontroly povrchu nádrže.

• Meranie vnútorného napätia železničných kolies.

Záver

Ako vidieť z uvedených príkladov aplikačného využitia, je EMAT schopný riešiť rôzne problémy v oblasti materiálovej kontroly. Jeho špecifickosť síce dokáže vyriešiť rôzne špecifické aplikácie, avšak jeho rozsah aplikačného využitia je limitovaný napr. využívaním permanentných magnetov, ktoré robia sondy pomerne veľkými. Existujú síce sondy s malým magnetom, avšak tieto sú zase limitované meracím rozsahom hrúbok.

Napriek týmto limitom rieši EMAT mnohé aplikácie, kde kontrola klasickým kontaktným ultrazvukom je komplikovaná, časovo náročnejšia a v niektorých prípadoch aj nákladná. Pre správnu kontrolu je dôležitý výber vhodného zariadenia ale aj výber vhodnej sondy.

EMAT riešenie je veľmi vhodné ako základ pre automatizáciu procesov merania napr. pri kontrole železničných kolies alebo pri úlohách v stiesnených priestoroch, kde je potrebné merať hrúbky materiálov a nie je možné tam dostať ľudský personál. Robotické riešenie sa tak ponúka ako ideálny spôsob dopravy technológie na miesto merania.

Autor: Aleš Mišura, Juraj Uríček (NDE Solutions, s.r.o., Žilinská univerzita v Žiline, Strojnícka fakulta, KAVT)