Jatkossa käsitellään eri menetelmien avulla saatuja tuloksia. Lue myös osa 1/2

Signaali-kohinasuhde vaiheistetulla ultraäänellä

Luotaus vian puolelta

Vikojen puolelta luodattaessa (kuva 1 vasemmanpuoleinen graafi) kaikki viat havaittiin jokaisella tekniikalla. Keskimääräinen signaali-kohinasuhde on särön MF A tapauksessa hieman matalampi kuin muilla vioilla. Signaali-kohinasuhteen ero eri tekniikoiden välillä on selvästi suurin säröllä TF ja pienin EDM-uralla. Matalimmatkin signaali-kohinasuhteet ovat noin 6 dB, joten viat havaittiin luotettavasti kaikilla tekniikoilla, myös korkeampia taajuuksia (5 MHz) käytettäessä.

Kuva 1. Vaiheistetun ultraäänitarkastuksen signaali-kohinasuhteet eri vioille vian puolelta luodattaessa (vasen) ja hitsin läpi luodattaessa (oikea).

Kuten kuvasta 1 havaitaan, mekaanisen väsytyksen säröjen signaali-kohinasuhteet ovat selvästi korkeammat vian puolelta luodattaessa. Korkeimmat signaali-kohinasuhteet särölle MF A mitattiin pitkittäisaalto- ja ryömintäaaltotekniikoilla (TRL, MC) ja särölle MF B poikittaisaaltotekniikoilla TRS ja 45 SW. Korkein signaali-kohinasuhde termisen väsytyksen särölle mitattiin ryömintäaaltotekniikalla ja matalin signaali-kohinasuhde sekä kyseiselle särölle että EDM-uralle mitattiin pitkittäisaaltotekniikalla.

Luotaus hitsin läpi

Hitsin läpi luodattaessa (kuva 1 oikeapuoleinen graafi) termisen väsytyksen särö havaittiin yhtä poikkeusta (70° SW) lukuun ottamatta ja kipinätyöstöura poikkeuksetta jokaisella tekniikalla. TRS-tekniikalla sekä TF-särön että EDM-uran signaali-kohinasuhteet ovat jopa suuremmat verrattuna vian puolelta tehdyn luotauksen signaali-kohinasuhteisiin. Mekaanisen väsytyksen säröt havaittiin vain matalilla (1,5 – 2,25 MHz) taajuuksilla ja lisäksi ryömintäaaltotekniikalla.

Eri vikojen kesken signaali-kohinasuhteiden erot pitkittäisaalto- ja ryömintäaaltotekniikoilla ovat varsin pienet. Korkeimmat signaali-kohinasuhteet hitsin läpi luodattaessa mitattiin kipinätyöstöuralle. Eri tekniikoiden väliset erot ovat samankaltaiset sekä TF-säröllä että EDM-uralla ja mekaanisen väsytyksen säröillä erot eri tekniikoiden välillä ovat huomattavasti pienemmät.

Vaiheistetun ultraääni­tarkastuksen amplitudit

Kuvassa 2 (MF B) ja kuvassa 3 (TF) on esitetty D- ja B-kuvat tarkastuksesta TRS-tekniikalla. Vahvistus on kaikissa kuvissa sama. Ero särön MF B amplitudissa vian puolelta ja hitsin läpi luodattuna on huomattava. Särön TF amplitudi taas on hieman suurempi hitsin läpi luodattuna ja näyttämät ovat lähes samanlaiset riippumatta luotaussuunnasta.

Kuva 2. Särön MF B D- ja B-kuvat TRS-tekniikalla. Vasemmalla vian puolelta ja oikealla hitsin läpi luodattuna.

Kuva 3. Särön TF D- ja B-kuvat TRS-tekniikalla. Vasemmalla vian puolelta ja oikealla hitsin läpi luodattuna.

Kuva 4. Maksimiamplitudit vian puolelta luodattuna.

Kuvassa 4 on vertailu vioista eri tekniikoilla saaduista maksimiamplitudeista, kun luotaus on tehty vian puolelta. Matalimmat amplitudit mitattiin pitkittäisaaltotekniikalla, jolla saatu nurkkakaiku on tyypillisesti varsin heikko. Kuvassa 0-tasoksi on valittu EDM-urasta pitkittäisaallolla saadun nurkkakaiun amplitudi. Vaihteluväli eri tekniikoiden amplitudeissa on suurin termisen väsytyksen säröllä. Myös kahden samanlaiseksi suunnitellun mekaanisen väsytyksen särön kesken havaitaan eroja.

SAM-tarkastus

B-kuvat SAM-tarkastuksesta on esitetty kuvassa 5. Molemmista mekaanisen väsytyksen säröistä saadaan kärkikaiku, jota taas ei havaita termisen väsytyksen säröllä. Kuvissa näyttämien vahvistus on säädetty samalle tasolle, mutta todellisuudessa TF-särön maksimiamplitudi on 9 dB korkeampi kuin särön MF A. Amplitudiero säröjen MF A ja MF B välillä on 2 dB. Säröjen morfologia näyttää aiheuttavan mekaanisen väsytyksen säröjen näyttämiin epäsäännöllisyyttä. Termisen väsytyksen särön näyttämä taas on varsin säännöllinen, eikä siitä käy ilmi särön todellisuudessa haarautunut muoto.

Kuva 5. B-kuvat SAM-tarkastuksesta 5 MHz 45° poikittaisaallolla. Kärkikaiut on osoitettu nuolilla. Vasemmalta luettuna MF A, MF B ja TF.

TOFD-tarkastus

TOFD-tarkastus matalallakin (2,25 MHz) taajuudella todettiin haasteelliseksi ainakin tutkituille säröille austeniittisessa materiaalissa, eikä dif­fraktiokaikuja havaittu. Tulos oli varsin samanlainen 5 MHz taajuudella, joskin kohinataso oli jonkin verran suurempi pienentäen edelleen diffraktiokaiun havaitsemismahdollisuutta.

Tarkastuksessa kuitenkin havaittiin takaseinäkaiun heikkeneminen kahdessa kohdassa, mikä osoitti selvästi sisäpintaan avautuvien vikojen olemassaolon. A-kuvista mitattuna takaseinäkaiku heikkeni selvästi enemmän EDM-uran ja TF-särön kohdalla kuin mekaanisen väsytyksen säröjen kohdalla. Tämä saattaa viitata mekaanisen väsytyksen säröjen olevan avaumaltaan tiukempia.

Digitaalinen radiografia

TomoCAR-järjestelmällä kerätty data analysoitiin uudelleen ja visualisoitiin VTT -keskuksella. Särön pinta erotettiin ja visualisoitiin alkuperäisestä datasta Matlabilla. Särö havaitaan hyvin selvästi tomografiakuvasta (kuva 6 oikealla). Myös särön muoto ja koko nähdään kuvasta varsin selvästi. Kuvassa 6 vasemmalla on konventionaalinen digitaaliröntgenkuva. Säröjen muoto ja koko analysoidaan tarkemmin myöhemmin tänä vuonna tehtävän rikkovan testauksen jälkeen.

Kuva 6. Terminen väsytyssärö. Vasemmalla konventionaalinen digitaaliröntgenkuva ja oikealla visualisoitu tomografiakuva.

Tulosten tarkastelu

Tässä artikkelissa on esitetty vain osa meneillään olevan keinovikojen eroja koskevan tutkimuksen tuloksista. Vikojen koonmääritystulokset esitetään myöhemmin yhdessä rikkovan testauksen tulosten kanssa. Jo tässä vaiheessa esitetyistä tuloksista havaitaan vikojen erilaisilla ominaisuuksilla olevan merkittävä vaikutus näyttämiin – ei ainoastaan eri tavalla valmistettujen keinovikojen kesken, vaan myös kahden samanlaiseksi suunnitellun särön kesken. Esitetyt tulokset antavat aihetta tutkia asiaa lisää. Nyt tutkitut säröt ovat varsin matalia ja lyhyitä, joten esimerkiksi saatu tieto särön morfologian vaikutuksesta näyttämiin on rajallinen.

Sekä termisen väsytyksen särö että kipinätyöstöura havaittiin melkein kaikilla käytetyillä vaiheistetun ultraäänen tekniikoilla myös hitsin läpi luodattaessa. Määräaikaistarkastusten pätevöinnissä olisi tärkeää tietää, kuinka hyvin tällainen tulos vastaa todellisen käytön aikana syntyneiden säröjen havaittavuutta, jotta vältytään yliarvioimasta pätevöitävän NDT-menetelmän suorituskykyä.

Matalataajuiset ultraäänitekniikat, joita tyypillisesti käytetään austeniittisten hitsien tarkastuksessa, soveltuvat hyvin etenkin vikojen etsintään myös hitsin läpi luodattaessa. Tekniikoilla ei kuitenkaan saada paljoa tietoa säröjen morfologiasta ja tyypistä. Särön kärkikaiun erottaminen voi olla myös hankalaa, mikä aiheuttaa epätarkkuutta särön korkeuden mittaamisessa.

Säröjen välillä havaittiin hyvin selkeä ero SAM-tarkastuksessa 5 MHz luotaimella. Mekaanisen väsytyksen säröjen B-kuvissa havaittiin huomattavasti enemmän särön morfologian aiheuttamaa epäsäännöllisyyttä, kun taas termisen väsytyksen särön B-kuva oli varsin säännöllinen. Myös kahden samanlaiseksi suunnitellun mekaanisen väsytyksen säröjen välillä oli selkeä ero.

Nykyisin kiinnostus digitaalisen radiografian käyttöön myös ydinvoima-alalla on kasvamassa. Digitaalinen tomografia näyttää soveltuvan hyvin vikojen luokitteluun ja koon määritykseen.

Johtopäätökset

• Särön morfologian aiheuttamaa epäsäännöllisyyttä ultraääninäyttämiin havaittiin enemmän tutkituissa mekaanisen väsytyksen säröissä kuin termisen väsytyksen särössä.

• Suuremmalla taajuudella ultraäänitarkastuksessa voidaan saada enemmän tietoa särön morfologiasta ja tyypistä. Myös tarkempi korkeuden määritys on mahdollista matalillekin vioille. Tästä huolimatta esimerkiksi särön haarautuminen voi jäädä edelleen havaitsematta ja kohina aiheuttaa omat ongelmansa.

• Särön haarautuminen voi tehdä sen helpommin havaittavaksi hitsin läpi tarkastettaessa.

• Kun hitsin kupu on hiottu pois ja hitsi voidaan luodata molemmin puolin, myös 5 MHz poikittaisaalto soveltuu hyvin austeniittisten hitsien tarkastukseen ainakin tässä tutkittuun 25 mm:n ainepaksuuteen asti.

• Austeniittisten hitsien TOFD-tarkastus on haastavaa ja standardin mukainen tarkastus ilman lisätutkimuksia ja optimointia ei näytä tuottavan lisäetua verrattuna vaiheistettuun ultraäänitarkastukseen tai digitaaliseen radiografiaan.

• Vaiheistetun ultraäänitarkastuksen (särön etsintä ja koonmääritys) ja digitaalisen tomografian (särön luokittelu ja koonmäärityksen varmistus) yhdistelmä voi olla tehokas menetelmä määräaikaistarkastusten luotettavuuden parantamiseksi.

Esa Leskelä
DI, erikoistutkija,
Esa.Leskela@vtt.fi

Ari Koskinen
DI, tutkimustiimin päällikkö,
Ari.Koskinen@vtt.fi