الى الاخت فراشة الهندسة

[ماستر مروان]

الاختبارات اللااتلافية ( Nondestructive testing‏) هي نوع من أنواع الاختبارات المستخدمة في تحليل أسباب انهيار القطع وكذلك منع حدوث انهيار القطع في المستقبل وذلك بإجراء الاختبار على القطعة دون إتلافها أو إلحاق أضرار بها.
يهدف هذا البحث إلى عرض ومناقشة السمات الرئيسية للأشكال المختلفة من تقنيات الفحوصات اللااتلافية والتي تتم على المعدات الميكانيكية .وسيتم في هذا البحث أيضا استعراض التقنيات المختلفة مع الإشارة إلى مدى ملائمتها لرصد أشكال معينة من العيوب المادية أو للكشف عن تراجع الأداء للمعدات .
في أدناه ابرز النقاط التي سيتم بحثها :

1- ما هو المقصود بمفهوم " الفحوصات اللااتلافية ".
2- مساهمة الفحوصات اللااتلافية في برنامج الصيانة .
3- أنواع العيوب المكتشفة في المواد المعدنية .
4- الآثار المترتبة على تبديد المواد بسبب التآكل (Corrosion) والتعرية (( Erosion.
5- تشكل التشققات والآثار المترتبة على ذلك.
6- تقنيات الفحوصات اللااتلافية الشائعة والمستخدمة لرصد العيوب السطحية ومن أهما التشققات.
7- الإجراءات المتبعة لإجراء اختبارات السوائل المخترقة, واختبارات الجسيمات الممغنطة واختبارات
التيارات الدوامة.
8- حسنات وسيئات ومحددات الاختبارات المذكورة أعلاه.
9- التقنيات المستخدمة لاكتشاف العيوب تحت السطحية.
10- الاختبارات فوق الصوتية.
11- الحاجة إلى مراعاة إجراءات السلامة عند استخدام المصادر الإشعاعية , مثل الأشعة
السينية (أشعة اكس) والأشعة الجيمية (أشعة جاما).
12- استخدام عينات الاختبار لقياس معدل التآكل والتعرية في خطوط الأنابيب.
13- تطبيق اختبارات المقاومة الكهربائية لقياس التآكل والتعرية بشكل متواصل في الأنابيب
14- تطبيق تقنيات الانبعاثات الصوتية لقياس الإجهاد في المواد.
15- تطبيق النظائر المشعة لقياس التدفقات أو التسرب في الأنابيب.
16- ملخص حول التقنيات الأساسية المعتمدة في الفحوصات اللااتلافية ومقارنتها.
17- أمثلة حول تقنيات الفحوصات اللااتلافية المستخدمة لقياس تراجع الأداء في المرجل والمبادلات الحرارية والتربينات والأنابيب.

ألفصل الأول
عيوب المواد
(Material Defect)

كما هو واضح من الاسم,فإن الاختبارات اللااتلافية هي وسيلة لاختبار بنية المواد دون الحاجة إلى إتلاف الأجزاء الداخلية منها أثناء اختبارها.
وهذه الطريقة مختلفة تماما عن الاختبارات التقليدية مثل (Stress Tests)، والتي تجرى على عينة من المواد حيث يتم تسليط أحمال عليها إلى حين حدوث الفشل فيها. وقد تم تطوير العديد من تقنيات الاختبارات غير المتلفة والمصممة لمعاينة البنية الداخلية للمواد وهي في موضعها ومن ثم تحديد عيوبهما.
هذا ويستخدم مصطلح الفحوصات اللااتلافية كثيرا للإشارة إلى اختبار المنتجات الموجودة على خط الإنتاج في مؤسسة تصنيعية معينة ولذلك فان المنتج إما أن يجتاز أو لا يجتاز الاختبار. وعليه فان الفحوصات اللااتلافية تقيس التغيرات في عدد من القيم المتغيرة بهدف تقييم معدل تراجع أداء أجزاء معينة من المعدات.وتعطينا المعلومات المأخوذة من الاختبارات غير المتلفة مقرونة باختبارات الأبعاد الفيزيائية , ومقرونة أيضا بمراقبة الحالة أثناء تشغيل المحطة, مؤشرا" مهما" للتنبؤ بمتطلبات الصيانة وكما هو موضح بالشكل رقم (1).

شكل رقم (1)

جوانب الصيانة

وتساعدنا الفحوصات اللااتلافية في رصد العيوب المادية مثل:ترقق سماكة جدران الأنابيب وأنابيب المرجل.
التشققات والمسامات أو الفراغات أو العيوب الأخرى في بنية الأجزاء المعدنية.
التأثيرات بعيدة المدى للتغيرات البطيئة التي تحدثها الحرارة العالية والتي يمكن أن تضعف البنية المعدنية لأجزاء معينة من المعدات.
التشققات وقلة الانصهارية في الملحومات ذات الضغط العالي.

إن ترقق جدران الأنابيب من المشكلات الشائعة في المرجل والتي مردها حدوث تآكل داخلي سببه مياه المرجل ومن ناحية أخرى فإن أنابيب المسخن التي تحمل البخار تعاني تأكلا خارجيا بسبب عملية الاحتراق نفسها، كما تعاني من التعرية بسبب الجسيمات الدقيقة الموجودة في غاز المداخن. هذا ويمكن أن يحدث التآكل الداخلي أيضا في أنابيب مياه التبريد و أنابيب الوقود وخطوط الغاز وشبكات الأنابيب الأخرى وهذا كله يسبب في المحصلة ترققا في سماكة الأنابيب.
ومع مرور الوقت، فإن التشققات السطحية قد تشاهد في الهيكليات المعدنية و الآلات التي تعاني إجهادا مكثفا، وقد تحدث التشققات السطحية بسبب الإجهاد أو التحميل المتكرر أو الاهتزازات وتزداد العيوب سوءا بسبب التعرض مرارأ وتكرارا للحرارة الفائقة كما هو الحال في التوربين والمرجل، وقد تؤدي التشققات في النهاية إلى تصدع الآلة وعطلها. ومن أهم الأجزاء التي تسترعي اهتماما خاصا في هذا الصدد:
ريش التوربينات, وخاصة ما يعرف بجذور الريش (Blade Root).
سدادة فوهة النافث في التوربين (Nozzle Block).
إطار التوربين وبراغي التثبيت.
الحلقات المثبتة للأجزاء الدوارة (Rotor) من المولدات.
المحامل الكبيرة الخاصة بالتربينات وغيرها من الآلات .
الأنابيب ذات الحرارة العالية ودعاماتها.
وفي حين أن العيوب في معظمها سطحية, فان بعض العيوب وخاصة في الأجسام المعدنية مثل المسبوكات, قد تظهر بعيدا عن السطح وبالتالي يكون من الصعب رصدها.
مثل هذه العيوب بما في ذلك المسامات أو الفراغات أو الشوائب الدخيلة تحدث على الأرجح خلال أعداد المادة وتصنيعها ولكن قد تزداد سوءا خلال تشغيلها وبالشكل الذي يضعف المادة نفسها.
ولا تخفى أهمية رصد مثل هذه التشققات والعيوب في مرحلة مبكرة أذا ما كنا حريصين على سلامة المعدات والعاملين في المحطة على حد سواء.
وهناك مشكلة محددة مرتبطة بالأجزاء التي تتعرض إلى حرارة فائقة لفترة زمنية طويلة وهي تعرف باللغة الانجليزية باسم (Creep) (أي التغيرات البطيئة الناجمة عن الحرارة الفائقة) والتي تعرف بالزحف .
وتحدث هذه المشكلة تحديدا في مشعب تجمع البخار(Boiler steam header) وفي التوربين والأنابيب الرئيسية وإذا كنا حريصين فعليا على تشغيل المحطة لأطول فترة ممكنة فان علينا أن نفحص هذه الأجزاء بتقنيات الفحوصات اللااتلافية وبطريقة شاملة ومتكاملة حتى نضمن سلامتها.
وعند تفكيك آلة ما فانه يمكننا أن نحصل على الكثير من المعلومات بالمعاينة البصرية ومقارنة مع ما نراه مع سجلات المعاينات السابقة وحالتها كما تركناها أخر مرة ويمكننا بالمعاينة البصرية على سبيل المثال أن نعرف الحقائق التالية:

· نمط التلف الذي لحق بالمحامل.
· وجود أي ترسبات داخل الآلة.
· موقع أجزاء الآلة بالنسبة إلى بعضها بعضا".
· درجة التلف الذي لحق بأجزاء معينة.

وعلاوة على ما سبق يمكننا أن نجري معاينة بصرية إلى حد ما خلال توقف المحطة لفترة وجيزة وذلك باستعمال المنظار المجوف (Borescope) ومنظار الألياف البصرية (Fiberscope) وذلك لتفحص الأجزاء الداخلية للآلة.

و يتألف المنظار المجوف من أنبوب صلب عند طرفه عدسة عينية وعند طرفه الآخر عدسة وكما هو موضح بالشكل رقم (2). وهناك عدسات وسيطة داخل الأنبوب لترحيل الصورة التي تم رصدها بالعدسة العينية. ويمكن تثبيت أطراف مختلفة لمساعدة المتفحص على تفحص زوايا مختلفة داخل الآلة وهناك ضوء عند طرف المنظار المجوف يزوده بالطاقة مصدر خارجي.

شكل رقم (2)

المنظار المجوف (Borescope)

ومن الاستخدامات التقليدية للمنظار المجوف هو أن يستعان به لمراقبة حالة التجويفات الداخلية لعمود ما في التوربين أو مضخة ضخمة على سبيل المثال .ويقصد من هذه المعاينة رؤية التشققات أو أية عيوب في التجويفات الداخلية.
وقد تم تطويرالمنظار المجوف في الأعوام الأخيرة بفضل استخدام الألياف البصرية لترحيل الصورة إلى العدسة (الشكل 3). كما أضحينا نستمد مصدر الضوء من قنوات الألياف البصرية ولعل أهم ميزة لهذا المنظار المطور الذي أصبح يعرف باسم منظار الألياف البصرية (Fiberscope) مرونته الفائقة إذ يمكننا بفضل ذلك أن نوصل العدسة إلى الكثير من الأجزاء الداخلية من الآلة التي يتعذر تفحصها في باستخدام المنظار المجوف.

شكل رقم(3)
منظار الألياف البصريةFiberscope

الفصل الثاني


معاينة وفحص الأسطح عبر الفحوصات اللااتلافية


NDE Surface Inspection

تتضمن الفحوصات اللااتلافية ثلاث تقنيات تستخدم في العادة للكشف عن العيوب ,مثل التشققات في أسطح الأجزاء المعدنية.
وهذه التقنيات هي :

· اختبار السوائل المخترقة (Liquid Penetrant Testing).
· اختبار الجسيمات الممغنطة (magnetic Particle Testing).
· اختبار التيارات الدوامة (Eddy Current Testing).

اختبار السوائل المخترقة(Liquid Penetrant Testing):
أكثر التقنيات تطبيقا لرصد التشققات هي اختبار السوائل المخترقة (الشكل رقم 4) وتعرف أيضا باسم اختبارات السوائل المخترقة الملونة(Dye Penetrant Test) وذلك لاستخدام سوائل ذات صبغة ملونة لكشف التشققات.
ومن أهم متطلبات تطبيق اختبارات السوائل المخترقة الملونة هو تنظيف الأسطح المراد اختبارها بشكل كامل. ثم يوضع السائل المخترق (Penetrant) على السطح المراد اختباره ,ويتم ذلك في العادة بتفريغه من علبة رذاذ (Aerosol) .
ويجد السائل المخترق طريقه إلى التشققات أو العيوب الأخرى الموجودة في السطح وبعد فترة محددة ولتكن 15 دقيقة, يتم تنظيف السطح وإزالة السائل الزائد عن الحاجة في حين يبقى السائل المخترق في التشققات.أما الخطوة التالية فهي وضع المادة المظهرة ويطلق عليها (Developer) ووظيفتها امتصاص السائل المخترق من التشققات ومرة أخرى نحتاج إلى فترة 10 إلى 15 دقيقة لتأخذ المادة مفعولها بشكل كامل والنتيجة هي امتصاص السائل المخترق من التشققات مع بقاء علامة واضحة على مكانه.

شكل رقم (4)

اختبار السوائل المخترقة (Liquid Penetrant Testing)

هناك أنواع عديدة من السوائل المخترقة وتستخدم هذه الأنواع إشكالا مختلفة من السوائل المخترقة والمواد المظهرة.

في العادة تكون السوائل المخترقة حمراء اللون فيما تكون المادة المظهرة بيضاء اللون، ومن أجل تحقيق النتيجة المرجوة لابد أن تتم التجربة في ضوء النهار أو في وجود إضاءة داخلية كافية وهناك نوع من السوائل المخترقة يتسم بأنه يطلق لونا فسفوريا عند معاينته تحت الأشعة فوق البنفسجية وهذا يسهل عملية المعاينة عندما تكون الإضاءة الخلفية ضعيفة.
وتحقق السوائل المخترقة الملونة أفضل نتيجة ممكنة في حال تم تطبيقها على أسطح نظيفة وملساء أما إذا كان السطح خشنا أو قاسيا فإن ذلك يجعل من الصعب تنظيفه وإزالة السائل المخترق الزائد عن الحاجة، وهذا بالتالي يجعل من يصعب عملية تفسير النتائج. أما إذا كان السطح مغطى بطبقة زيتية أو شحميه فإن ذلك يجعل اختبار السوائل المخترقة غير مجد على الإطلاق.

‏اختبار الجسيمات الممغنطة (Magnetic particle test) :

يشبه هذا الاختبار إلى حد ما اختبار السوائل المخترقة، غير أن هذا الاختبار يستخدم بدلا من الصبغة جسيمات من اوكسيد الحديد الممغنطة لتحديد موضع العيوب.
وتتم مغنطة قطعة الاختبار بحيث نخلق مجالا مغناطيسيا متدفقا ثم يتم العمل على نشر مسحوق الجسيمات الحديدية البالغة الدقة على سطح المادة المراد اختبارها.
إن وجود أي عيب ما وليكن العيب في شكل تشققات مستعرضة, من شأنه أن يجعل بعض خطوط القوة المغناطيسية تخرج خارج المادة وتشكل مجالا مغناطيسيا خارجيا بمعنى آخر يحصل تشوه للمجال المغناطيسي وهذا يدفع الجسيمات المعدنية الدقيقة إلى تشكيل نتوء على قمة التشققات،ويتم التعرف بسهولة على النتوءات حيث أنها اعرض بكثير من التشققات نفسها (الشكل رقم 5).

شكل رقم (5)


اختبار الجسيمات الممغنطة (Magnetic particle test)

من أهم القيود التي تحد من أهمية اختبارات الجسيمات الممغنطة أنها لا تستجيب للعيوب المحاذية (In Line) للتدفقات المغنطيسية . من الواضح فانه كلما زادت زاوية انحراف التشقق بالنسبة إلى المجال المغناطيسي فان الاضطراب في المجال سيكون كبيرا وبالتالي سيسهل من عملية تحديد الخلل.لذا من الأفضل إجراء عدة اختبارات للقطعة الواحدة وباتجاهات مختلفة لحين الحصول على الشكل الأمثل.
ومن أهم الخطوات في أداء هذا الاختبار هي:
· تنظيف السطح بشكل كامل مما يتيح تدفق الجسيمات الممغنطة بحرية تامة.
· مغنطة قطعة الاختبار.
· وضع ما يعرف بالمسحوق المغنطيسي, والذي قد يكون جافا أو معلقا على شكل محلول.
· المراقبة وتفسير النتائج.
ومن أكثر تطبيقات اختبارات الجسيمات الممغنطة شيوعا هو الكشف عن التشققات في الصفائح الملحومة . ففي هذه الحالة يمكن أن نقوم بمغنطة الصفيحة من خلال مغناطيس كهربائي موضوع بطريقة تجعله يخلق تدفقا بطريقة طولية عبر المادة الملحومة .
ومن اجل معاينة الصفائح , تستخدم أحيانا الكترودات محمولة يدويا, على أن توضع بطريقة تجعل التيار يمر مباشرة عبر الصفيحة . وهذا يخلق مجالا مغنطيسيا محيطيا وهو المطلوب لتحقيق الفحص.
وفي كافة الأمثلة المذكورة , فان مقدار التيار قد يكون مرتفعا , بحدود 500 إلى 1000 أمبير , غير أن الفولتية تكون متدنية جدا وتصل إلى فولت واحد , وبالإمكان استخدام التيار المتناوب أو المستمر ،حيث يستخدم التيار المتناوب عند الرغبة بالكشف عن العيوب قرب السطح بينما يستخدم التيار المستمر للكشف عن العيوب العميقة، ويعزى السبب بهذا التصنيف لكون التيار المتناوب يولد مجالا مغناطيسيا يكون فيه التيار وقوة المجال عالية عند السطح. وما أن يكتمل الاختبار قد يكون من الضروري أن نزيل مغنطة قطعة الاختبار قبل إعادة التركيب ويتم ذلك من خلال تمرير الجسم ببطء عبر مجال مغناطيسي يحدثه ملف.

اختبار التيارات الدوامة (Eddy Current testing):
في بعض الأحيان يتعين علينا أن نعاين الحالة الداخلية لأنابيب المبادلات الحرارية للتنبؤ بمعدل التلف ومن ثم تحديد موعد لاستبدالها عند الضرورة. وان أكثر الطرق شيوعا لفحص أنابيب المبادلات الحرارية هي اختبار التيارات الدوامة (الشكل رقم 6).

شكل رقم(6)


اختبار التيارات الدوامة (Eddy Current testing)

إن مبدأ العمل يستند على تمرير المجس عبر كل أنبوب بهدف قياس أية تغيرات في الصفات الكهربائية أو المغناطيسية والناتجة عن العيوب في مادة الأنبوب ويتألف المجس من ملف يتم شحنه بتيار متناوب ذو تردد عالي بحدود 10 إلى 100 كيلوهيرتز ,وذلك حسب التطبيقات المراد تنفيذها .
والنتيجة أن مجالا مغنطيسيا, يعرف باسم المجال الرئيسي, يحيط بالملف بما في ذلك جدران أنابيب المبادلات الحرارية المراد اختبارها.والمهم هنا أن نتذكر أننا لسنا معنيين هنا بمغناطيسية قطعة الاختبار بل على العكس من ذلك حيث إن هذا الاختبار يحقق النتيجة الأفضل إذا ما كانت الأنابيب مصنوعة من مواد غير مغناطيسية مثل السبائك النحاسية التي تصنع منها المبادلات الحرارية في العادة ولكن من المهم أن تكون مادة الأنبوب موصلة بحيث نسمح للمجالات المغنطيسية بتوليد التيارات الدوامة في مادة الأنبوب.
وكما هو معلوم فان التيارات الدوامة ستعمل على توليد مجال مغناطيسي ثانوي معاكس بالاتجاه للمجال الذي ولده وهو المجال الرئيسي ولذلك ستكون المحصلة صغيرة للمجالين ويتم اعتماد هذه المحصلة كقيمة مرجعية. فعند وجود أي خلل في مادة الأنبوب سيؤدي هذا الخلل عند مرور المجس قربة تغييرا في قيمة التيارات الدوامة وبالتالي تغيرا في المحصلة التي يتم مراقبتها والتي ستظهر على المقياس الخاص بالجهاز وبهذه الحالة نستطيع تحديد موقع الخلل.
هذا ويظهر الشكل(رقم 7)معدات التيارات الدوامة التقليدية حيث يتم دفع أو سحب المجس عبر أنابيب المبادلات الحرارية بمسدس يعمل باليد .ويتحكم جهاز الفحص بتيار الاختبار, كما انه يقيس الاستجابة وينقل المعلومات إلى شاشة والى جهاز للرسوم البيانية كما يمكن وصل المعدات مع وحدة معالجة البيانات لتحديث ملفات مراقبة الحالة.

شكل رقم(7) معدات التيارات الدوامة

هذا ويعمل عداد الفحص على مبدأ (قنطرة ويتستون) (الشكل رقم 8)،فعند وضع ملف الاختبار داخل الأنبوب المراد معاينته فان قيمة ممانعة (Impedance) الموازنة تعدل إلى صفر في الحالة الطبيعية عند عدم وجود أي خلل.
وتساعد هذه الترتيبات في مواجهة أية مؤشرات زائفة مردها إلى تغيرات طفيفة في مواصلة أو نفاذية مادة الأنبوب.

شكل رقم (8)


ملف الفحص-قنطرة ويتستون

ويظهر الشكل رقم (9) نتائج اختبار التيارات الدوامة على أنابيب مكثف ومرد التغيرات الواسعة إلى صفائح الدعم الموجودة على طول الأنبوب .أما بقية الشكل فيظهر نمط تغيرات مختلف وهذا يشير إلى إن الأنبوب معطوب بسبب التآكل الحاد والفجوات على السطح الداخلي.

شكل رقم (9)


عينة اختبار انبوب

كما يمكن استخدام اختبارات التيارات الدوامة في تطبيقات غير اختبار المبادلات الحرارية. ولعل أهم الاختبارات هو اختبار أعمال اللحام ويتم ذلك بوضع مجس على السطح لرصد التشققات السطحية وكما هو موضح بالشكل رقم (10)

شكل رقم (10)


فحص التيارات الدوامة لوصلة لحام