NON DESTRUCTIVE INSPECTION TECHNIQUES IN RAILWAY INDUSTRY: A COMPARISON OF EUROPEAN AND JAPANESE APPROACH

Transkript

1 2. Uluslar arası Raylı Sistemler Mühendisliği Sempozyumu (ISERSE 13), 9-11 Ekim 2013, Karabük, Türkiye NON DESTRUCTIVE INSPECTION TECHNIQUES IN RAILWAY INDUSTRY: A COMPARISON OF EUROPEAN AND JAPANESE APPROACH Yasin SARIKAVAK a* a, * Turkish State Railways, Railway Research and Technology Center, Ankara, Turkey, yasinsarikavak@tcdd.gov.tr Özet Demiryollarında önleyici bakım onarım ve bakım talimatlarının oluşturulması konusunda önemli tekniklerden olan tahribatsız muayene teknikleri emniyet ve güvenlik, güvenilirlik ve düşük maliyetli bakım açısından oldukça önemlidir. Birçok endüstri kolunun yanı sıra demiryolu endüstrisinde yükselen işletme hızları ve artan aks yükleri tahribatsız muayene teknikleri uygulamasının önemini artırmıştır. Ülkemizde Avrupa Normları göz önüne alınarak tahribatsız muayene konusunda sertifikasyon ve uygulama çalışmaları yapılmaktadır. Bu tekniklerin yanı sıra Japonya da gerinim ölçme, akustik emisyon ve yeni gelişen tahribatsız muayene teknikleri uygulanmaktadır. Bu çalışmada bu yöntemlerin Avrupa ve Japonya özelinde uygulama alanları değerlendirilecektir. Anahtar kelimeler: Bakım onarım teknolojileri, tahribatsız muayene teknikleri. Abstract In railway industry one of the most important topics for preventative maintenance and forming maintenance procedures for safe, secure, reliable and cost effective railway operation is non destructive inspection techniques. Besides most industry applications, especially in railway industry according to heavy axle loads in freight transport and increased speeds makes non destructive inspection process more important. In Turkey NDI applications and certification is made according to European Norms. Besides these techniques strain measurement, acoustic emission and recent technological improvements in NDI are applicable in Japan industry. In this study an evaluation of these techniques in specialty of Japan and Europe will be done. Keywords: Maintenance technologies, non destructive inspection techniques. 1. Giriş Tahribatsız muayene teknikleri malzeme ya da parçanın bütünlüğüne zarar vermeden yapılan muayene yöntemleridir. Bu yöntemler malzemenin içerisinde yer alan veya malzeme yüzeyine açık süreksizliklerin tespitinde kullanılmaktadır. Birçok endüstri alanında gelişen teknolojilere paralel olarak kalite güvence sistemlerinin geliştirilmesi, ürün, tesis ve sistem güvenirliğinin sağlanması gibi gereklilikler tahribatsız muayene yöntemlerinin önemini artırmıştır. Tahribatsız muayene teknikleri demiryolu, otomotiv, havacılık ve uzay, güç santralleri, rafineriler, boru hatları gibi endüstride pek çok uygulama alanına sahiptir. Her uygulama alanı için genel ve özel sistemlerle tahribatsız muayene teknikleri etkin olarak uygulanabilmekte, sistemlerin güvenli ve emniyetli çalışması sağlanmaktadır. Tahribatsız muayene yöntemleri güvenli işletmecilik açısından demiryolu sektöründe önemli bir yere sahiptir. Demiryolu sanayisinde ileri konumda olan Avrupa ülkeleri ve Japonya birçok tahribatsız muayene tekniğini etkin olarak güvenilir işletmeciliği sağlamak amacıyla kullanmaktadır. Ülkemiz coğrafi konum itibariyle Avrupa normlarını referans almakta ve bu standartlar çerçevesinde gerekli düzenlemeleri yapmaktadır. Avrupa ülkelerinde ve Japonya da demiryolu sektöründe tahribatsız muayene uygulamalarını değerlendirdiğimizde genel olarak birçok yöntem ve pratik uygulamaları benzerlik göstermektedir. Ancak bazı metotlarda uygulama alanında küçük farklılıklar olduğu görülmektedir.

2 Avrupa normlarında demiryolu sektöründe genel olarak ultrasonik muayene, manyetik parçacıkla muayene, sıvı penetrant ile muayene, gözle muayene, girdap akımları ile muayene yöntemleri kullanılmaktadır. Japonya da bu yöntemlerin yanında gerinim ölçme ve akustik emisyon ile ölçüm tekniği kısmi uygulama alanı bulmaktadır yılında Japonya da endüstride genel muayene yöntemleri kategorize edildiğinde ultrasonik muayene %26.7, radyografik muayene %20.4, penetrant test %14.9, manyetik parçacık testi %12.2, girdap akımları ile muayene %3.1, gerinim ölçme %1.9 ve diğer yöntemler %20.8 lik oranda pazar payı bulmuştur [1]. Yerleşik hataların tespitinde, hata yüzeye açık ise gözle muayene, manyetik parçacık testi, penetrant test, girdap akımları testi etkin muayene yöntemleridir. Eğer yerleşik hata malzeme içinde ise ultrasonik muayene ve radyografi hata tespitinde kullanılan tahribatsız muayene yöntemleridir. Kusur büyüme gösteriyorsa akustik emisyon ile muayene uygulama alanı bulan bir yöntemdir. Gerinim ölçme mekanik ve elektriksel metot, gerilim dağılımı ve sızdırmazlık testleri diğer tahribatsız muayene metotlarıdır. Bu çalışmada demiryolu sektöründe uygulama alanı bulan tahribatsız muayene yöntemleri incelenecektir. 2.Tahribatsız Muayene Metotları 2.1. Ultrasonik Muayene Demiryolu sanayisinde etkin olarak kullanılan yöntemler arasında yer alan ultrasonik muayene diğer endüstri kollarında da yaygın uygulama alanına sahiptir. Malzemenin içerisinde yer alan süreksizliklerin tespitinde kullanılan ultrasonik muayene yöntemi birçok demiryolu bileşeninde aktif olarak uygulanmaktadır. Malzeme içerisine yüksek frekanslı ses titreşimleri (20khz-25mhz) gönderilerek malzeme içerisinden hata veya içyapıdan kaynaklanan süreksizliklerden yansıyan sinyaller algılanarak değerlendirme verilerine dönüşmektedir. İmalat sonrası içyapıda oluşan üretim kusurlarının ve işletme şartları altında periyodik yüklemelere bağlı olarak ilerleyen kusurların tespitinde etkin ve güvenilir sonuçlar vermekte, sistemlerin emniyetli ve güvenli çalışmasının sağlanmasında uygulanan önemli bir tahribatsız muayene tekniğidir. Konvansiyonel ultrasonik muayene, phased array ultrasonik muayene, tofd (time of flight diffraction), ultrasonik kalınlık ölçümü olarak farklı uygulama alanları mevcuttur. Ultrasonik muayene metal ve ametal tüm katı cisimlerim muayenesinde uygulanabilmektedir. Demiryolu bileşenleri değerlendirildiğinde en kritik malzemeler arasında tekerlek aksları yer almaktadır. Demiryolu aksları için kritik bölgeler tekerlek, fren diski ve cer dişlilerinin oturduğu bölgeler olan noktalardır. Şekil 1 üzerinde taranan bölgeler çatlak oluşumu açısından kritik bölgeler olup ultrasonik muayene metoduyla taranması gereken bölgelerdir [2]. Şekil 1. Aks üzerinde oluşan kritik bölgeler Tekerlek aksları içi boş ve dolu aks olarak iki tipte imal edilmektedir. İşletme esnasında dolu aksların muayenesi için ultrasonik muayene cihazına düz ve açılı problar bağlanarak aks boyunca iç yüzeyin taranması mümkün olabilmektedir (Şekil 2) [2].

3 Şekil 2. İçi dolu aks ultrasonik muayenesi Bunun yanı sıra punta probu kullanılarak dolu aksın ultrasonik yöntem ile taranması mümkündür. Aks flanşı önünde merkez noktada punto probunun yerleştirildiği bir delik bulunmaktadır. Gecikme takozu kullanılarak enine ses dalgaları aks boyunca tarama yapar ve arka kenar içinde çatlak taraması yapılır. Monte ve demonte aks üzerine uygulanabilen bu yöntemde prob iki kez 360 döndürülerek tarama yapılır (Şekil 3). Şekil 3. Punto probu ile ultrasonik muayene İçi boş akslar ise genellikle yüksek hızlı tren setlerinin tekerlek takımlarına monte edilmektedir. Aks delik çapına uygun problar manuel ultrasonik muayene cihazına monte edilerek aksın büyük bölümün malzeme iç hatalarına karşı kontrolü etkin olarak yapılabilmektedir (Şekil 4) [2]. Şekil 4. İçi boş aks muayenesi Bir diğer önemli demiryolu bileşeni ray malzemesidir. Ray üzerinde çatlak oluşumu açısından kritik bölgeler rayın tekerlekle temas ettiği ray mantarı, makas bıçakları, cebire delikleri, ray tabanı ve kaynak bölgeleridir. Şekil 5a üzerinde ray üzerinde çatlak oluşumu açısından kritik bölgeler yer almaktadır. Birçok demiryolu bileşeninde olduğu gibi ray malzemesinde de ultrasonik yöntem ile muayene en yaygın yöntemdir. Normal prob ile düz dalga gönderilerek rayın önemli bir bölümü taranmaktadır. Burada ışın demetinin çarpması ile yansıyacak ses demetleri hatanın değerlendirilmesinde kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra mantar ve gövde üzerinde düz prob kullanılarak tarama yapmak mümkündür (Şekil 5b) [3, 4].

4 b) Şekil 5. a)ray üzerinde oluşan çatlak çeşitleri ve konumları, b)ray malzemesinin ultrasonik yöntem ile kontrolü Tekerlek üzerinde ultrasonik metotla ölçülmesi gereken bölümler tekerlek flanşı, tekerlek diski ve tekerlek göbeğidir [4]. Ultrasonik manuel cihazlar, otomatik sistemler ve grup yayınım (phased array) cihazları ile tekerlek üzerinden tarama yapmak mümkündür Girdap Akımları ile Muayene Bir prob üzerinde oluşan değişken bir manyetik alan probun temas ettiği iletken malzeme üzerinde ikinci bir zıt yönlü manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan prob etrafında ve malzeme üzerinde dairesel girdap akımları oluşturur. Malzeme üzerindeki süreksizlikten dolayı dairesel girdap akımlarının ve kendisini oluşturan manyetik alanın şekli bozulur. Bu değişim girdap akımları cihazının ekranında hata belirtisi olarak görüntülenir. Girdap akımları yöntemi ile iletken malzemelerin yüzeylerindeki ve yüzeye yakın derinliklerdeki süreksizlik ve hataların tespiti yapılabilir. Girdap akımlarının şiddeti, kendisini meydana getiren manyetik alanın büyüklüğü ile sınırlıdır. Girdap akımlarının malzeme içine nüfuz etme derinliğini test frekansı tayin eder. Frekans arttıkça nüfuziyet derinliği azalır ve girdap akımları malzemenin yüzeyine yakın bölgesinde yoğunlaşır [5]. Çoğunlukla havacılık endüstrisinde uygulama alanı bulan girdap akımları ile muayene yöntemi demiryollarında ray malzemesi üzerinde yüzeye yakın kusurların tespitinde kullanılmaktadır. Ultrasonik muayene yöntemine göre üstünlükleri arasında yüksek tarama hızları, yüzey ve yüzeye yakın hataların tespitinde yüksek performans, temas sıvısına ihtiyaç duyulmaması yer almaktadır. Şekil 6a üzerinde girdap akımları ile muayene ve ultrasonik muayene metal plaka numunesi üzerinde karşılaştırılmış, Şekil 6b üzerinde ise ray numunesi üzerinde uygulanan test metotları ve test alanları karşılaştırmalı olarak verilmiştir [3,6]. Şekil 6. a) UT ve ET metotları karşılaştırması, b) Ray numunesi üzerinde tarama alanları

5 2.3. Manyetik Parçacık ile Muayene Sadece ferromanyetik (mıknatıslanabilir) malzemeler üzerine uygulanabilmektedir. Yüzey veya yüzeye yakın hataların tespitinde kullanılan bir yöntemdir. Demiryolu sektöründe tekerlek disklerinde ve kaynak noktalarında (ray kaynak bağlantıları, boji ve demiryolu taşıtı kaynak birleşim noktaları) yer alan süreksizliklerin tespitinde kullanılmaktadır Gözle Muayene Bir malzemenin yüzeyindeki süreksizlikler, yapısal bozukluklar, yüzey durumu gibi parametrelerin optik bir yardımcı kullanılarak veya kullanılmadan muayene edilmesidir. Gözle muayene uygulanması kolay en önemli tahribatsız muayene yöntemidir. Standartlarda diğer tahribatsız muayene metotları uygulanmadan önce gözle muayenenin yapılması ve bulguların kaydedilmesi istenir. Bu yöntem metalik veya metalik olmayan bütün malzemelere uygulanabilmekte, muayene yüzeylerine ulaşılabilirlik durumuna göre endoskop, büyüteç, ayna gibi yardımcı ekipmanlar kullanılabilmektedir. Muayene yüzeyinde yeterli ışık altında ve uygun bakma açılarında inceleme yapılmalıdır. Demiryollarında dizel motor silindirleri (endoskop kullanılarak), ray, aks, boji aksamları, tekerlek gibi demiryolu bileşenlerinin gözle muayenesi yapılmaktadır. Şekil 7 de boji aksamı için inceleme mesafesi ve inceleme açısı yer almaktadır [7] Gerinim Ölçme Şekil 7. Boji aksamı için gözle inceleme açısı ve mesafesi Bir cisme kuvvet olarak etkiyen ağırlığın, cisimde meydana getirdiği şekil değişikliği deneysel olarak gerinim ölçerler yardımıyla ölçülür. Bu yöntem Japonya da bir tahribatsız muayene yöntemi olarak kabul edilmiş ve Japon Tahribatsız Muayene Cemiyeti tarafından diğer tahribatsız muayene metotları gibi JIS Z 2305 e göre personel sertifikasyonu yapılmaktadır [8]. Gerinim ölçme yöntemi tünel, köprü, demiryolu gibi yapısal elemanlarda inşa esnasında ve sonrasında gerinim değerlerinin tespitinde, sürekli yapılarda konsantre gerilim ölçümü, yük dağılımı ve yükteki değişim gibi değerlerin tespitinde kullanılmaktadır [9]. Demiryollarında halen tam olarak anlaşılamayan tekerlek ray ilişkisi ve oluşan kuvvetlerin tespiti konusunda gerinim ölçme yöntemi kullanılarak tekerlek ray kontak noktaları ve oluşan kuvvetler konusunda araştırmalar yapılmıştır [1, 10]. Şekil 8 de ray üzerinde tekerlek ray etkileşimi sonucu oluşan gerinim değerlerinin, dikey ve yanal yük değerlerinin tespit edilmesi amacıyla kurulan gerinim ölçme düzeneği görülmektedir. Şekil 8. Ray üzerinden gerinim ölçerler yardımıyla veri toplanması

6 3.Tahribatsız Muayene Metotları Avrupa Ülkeleri ve Japonya Demiryolları Değerlendirmesi Demiryolu endüstrisinde Avrupa Standartları ve Japon Standartlarının uygulama alanları dikkate alındığında genel olarak birçok metoda benzerlik olduğu görülmektedir. Gelişen diğer teknolojiler ve yeni metotlar demiryolu sanayisinde uygulama alanı bulsa da pratikte yapılan çalışmaların oldukça sınırlı olduğu görülmektedir. Sıvı penetrant ile muayene, radyografik muayene, infrared termografi ve akustik emisyon yöntemleri sınırlı uygulama alanlarına sahiptir. Sıvı penetrant ile çeşitli motor parçaları, boji bileşenleri, türbin çarkları gibi malzemelerin muayenesi yapılabilmektedir. Akustik emisyon tekniği basınçlı kapların muayenesinde, infrared termografi ise köprü gibi inşaat yapılarının kontrolünde kullanılan yöntemlerdendir [9,11]. Diğer pek çok endüstri kolunda olduğu gibi demiryolu sanayisinde Avrupa ülkeleri ve Japonya da en yaygın ve etkin yöntem ultrasonik muayenedir. Temel demiryolu bileşenleri olan aks, ray, tekerlek ve kaynaklı bağlantılara ultrasonik muayene metodu etkin olarak uygulanmakta ve bu metot farklı ülkelerde paralel uygulamalara sahiptir. Konvansiyonel ultrasonik muayene haricinde phased array, TOFD ve EMAT uygulamaları kullanılmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri Ulaştırma Teknoloji Merkezi (TTCI) tarafından geliştirilen raylar için temassız lazer ultrasonik muayene yönteminin Avrupa ülkeleri ve Japonya da kullanımda olmadığı görülmüştür [12]. Kaynaklar [1] Facility maintenance management focused on non-destructive inspection for lifeline structure, Training Textbook, Japan International Cooperation Agency, [2] DB Ril and Technical Documents. [3] Rail Inspection, Hocking NDT Ltd. Technical Document. [4] Peter Speier, Krautkramer NDT Ultrasonic Systems, DB Training Railways, 2003 [5] TSE, Tahribatsız Muayene Laboratuarı, Girdap Akımları, Seviye 2 Eğitim Notları, [6] Radde, P., Railtesting, Rohmann GmbH, Rohmann Meeting [7] European Visual Inspection Catalogue (EVIC), Implementation guide for freight wagon axles, Joint sector group for ERA task force on wagon-axle maintenence, V2.12, [8] [9] Barragan, A., Cembrero, P., Caceres, N., Schubert, F., Automated and cost effective maintenance for railway Report on railway inspection and monitoring techniques Analysis of different approaches, EU 7th Framework Programme, ACEM-Rail, [10] Kanehara, H., Fujioka, T., Measurng whell/rail contact points of running railway vehicles, Wear, vol 253, , [11] Watanabe, T., Hashirizaki, S., A method of evaluation the harmfullness of flaws in structures using acoustic emission techniques, Nippon Steel Corporation Publication, [12] Rail inspection technologies, EU 6th Framework Programme, INNOTRACK, 2008.