Lærebok i jernbaneteknikk. Tilstandskontroll av skinner

Transkript

1 Lærebok i jernbaneteknikk

2 1. INNLEDNING ULTRALYDKONTROLL AV SKINNER MÅLEPRINSIPP KONTROLLSYSTEM TESTINTERVALLER SØKEROPPSETT / AVSØKINGSOMRÅDE DATA-ANALYSE BEGRENSNINGER VED ULTRALYDKONTROLL INDUKSJONSMETODER LAV FREKVENT ULTRALYD LASERBASERT ULTRALYDINSPEKSJON... 23

3 1. INNLEDNING NDT (Non Destructive Testing) av skinner utføres for å påvise skinnefeil slik at feil kan utbedres innen brudd oppstår. På denne måten er det mulig å redusere antall skinnebrudd ned mot et minimum. Dessuten vil ultralydkontrollen gi oss informasjon om hvilke type feil som oppstår i skinnene og hvordan ulike feil utvikler seg. Ultralydkontroll har til nå vært helt dominerende når det gjelder NDT kontroll av skinner i spor. Men i de senere årene er det også blitt utviklet teknikker basert på andre prinsipper. Disse nye teknikkene vil ikke på noen måte fortrenge ultralyd som den viktigste NDT metoden for kontroll av skinner, men vil kunne være et viktig supplement på områder der Ultralyd har klare begrensninger, som f.eks overflatefeil. 3

4 piezo-elektrisk element normalsøker 2. ULTRALYDKONTROLL AV SKINNER 2.1 Måleprinsipp Ultralydmålinger baserer seg på materialers evne til å forplante lydbølger. Lydbølgene fremskaffes ved å sende vekselstrøm gjennom et piezo-elektrisk element (sender). Strømmen setter elementet i bevegelse slik at det sendes høyfrekvente lydbølger (ultralyd) inn i skinnen. Dersom lydbølgen sendes inn i skinnen normalt på lengderetningen (normalsøker) vil den bli reflektert når den treffer undersiden av foten. Den reflekterte lydbølgen treffer et annet piezoelektriske element (mottaker) som settes i bevegelse. Ved ultralydkontroll av skinner fungerer samme element både som sender og mottaker ved at lyden sendes ut i pulser. Det anvendes søkere som sender ut lydbølger med en frekvens mellom 2 og 4 Mhz. Lydbølgene får mottakeren til å generere en vekselstrøm som kan avleses på et oscilloskop. Dette kalles gjerne bunnekko. Når vi kjenner lydhastigheten i stål finner vi lett distansen som lyden har reist. På denne måten kan vi avlese høyden på skinnen på skjermen. Dersom det er en horisontal sprekk i skinnen vil denne reflektere lydbølgen før den treffer undersiden av foten. Da får vi et ekko som kommer opp tidligere på skjermen, noe som indikerer at vi har en feil i skinnen. Noen feil gir ikke noe klart feilekko, men forstyrrer lydbølgen slik at vi ikke får noe bunnekko. Tap av bunnekko er således en viktig informasjon som indikerer feil i skinnen. OSCILLOSKOP X X X X Figur 1 vinkelsøker Prinsipp for ultralydmåling Mange feil er orientert mer eller mindre på tvers av skinnen (tverrfeil). Denne type feil gir ikke noe ekko fra en normalsøker. For å finne denne typen feil må vi bruke en søker som sender lyden med en viss vinkel (i forhold til vertikalplanet) inn i skinnen. Dette kalles en vinkelsøker (Figur 2). Tverrsprekker i skinnehodet står ofte med en vinkel på 200 i forhold til vertikal. Det brukes derfor gjerne vinkelsøkere som sender lyden med vinkel på 700 ved kontroll av skinner for å oppnå et maksimalt ekko fra denne feiltypen. 4

5 Figur Vinkelsøker - prinsippskisse Kontrollsystem Periodisk ultralydkontroll av skinner i spor kan utføres automatisk med målevogn eller manuelt med ultralydtralle. Ulike baneforvaltninger benytter ulike metoder for å detektere og klassifisere skinnefeil. Grovt kan vi dele inn i 2 metoder: 1. Manuell kontroll og manuell klassifisering 2. Automatisk kontroll og manuell etterkontroll og klassifisering Ved de nordiske forvaltningene benyttes i hovedsak målevogn i kombinasjon med manuell etterkontroll og klassifisering. Målevogna som leies inn 6-8 uker pr. år kontrollerer skinnene med en hastighet på km/h. Med denne hastigheten kan målevogna i praksis kontrollere opp til km pr.dag. Opp til i dag har det vært vanlig å anvende større ultralydtog / vogner for automatisk testing av skinner. Vi ser imidlertid nå en trend mot lettere mer fleksibelt utstyr, gjerne i for av mindre traller som kan henges etter et hvilket som helst skinnegående kjøretøy, f.eks. en Robel lastetraktor eller et Toveis kjøretøy. 5

6 Figure 3 Ultralyd målevogner Figur 4 Ultralyd tralle montert til skinnegående kjøretøy målevogn Etter at målevogna har avsøkt en strekning er det nødvendig å utføre en etterkontroll av de feilindikasjoner som er gjort. Ultralydoperatører utfører denne kontrollen med håndsøkere og avgir endelig rapportering og klassifisering av feilene. ultralydtralle Figur 5 viser en ultralydtralle som brukes for manuell kontroll. Her skjer endelig rapportering og klassifisering samtidig. Med manuell tralle er 6

7 kapasiteten ca. 5-7 km/dag. Den manuelle trallen har to ultralydinstrumenter og søkere for begge skinnestrenger. Trallen er utviklet av Banverket i Sverige. Figur Manuell ultralydtralle for kontroll av begge skinnestrenger Testintervaller Banenettet kontrolleres med jevne mellomrom for å holde feilutviklingen under kontroll. Testintervallene varierer fra land til land men er gjerne avhengig av trafikkbelastning og strekningshastighet. I tabellene under er vist testintervaller fra Sverige, Norge og Danmark. Tabell 1 testintervaller ved BV Besiktningsklasse B1 B2 Inspeksjonsintervall 1g/4 år 1g/3 år B3 1g/2 år B4 1g/år B5 1g/år 7

8 Tabell 2 testintervaller ved (inntil 2007) Trafikkbelastning Strekninger med Strekninger uten Sth skinnebruddsskinnebruddsindikasjon indikasjon > 15 MGT/år 1 g /år 2 g/år < 160 km/h 2-15 MGT./år 1 g/2 år 1 g/år < 2 MGT./år 1 g/3 år 1 g/2 år 1 g/år 2 g/år 160 km/h Tabell 3 Testintervaller i Danmark Banetype Str. hastighed Hovedbaner (Intercity) Alle S-baner Alle Regional/lokal baner =120Km/t Regional/lokal baner <120 Km/t Kontrol intensitet 1 g /år 1 g/år 1 g/2 år 1 g/4 år OPTIUL OPTIUL er et verktøy utviklet av for å kostnadsoptimalisere testfrekvensen for ultralydkontroll av skinner. Verktøyet utfører en kost/nytte analyse av ulike testfrekvenser for å finne den testfrekvensen som gir den minste totalkostnaden. Kostnader som tas i betraktning av modellen er: kostnader for ultralydkontrollen kostnader ved planlagt utbedring av skinnefeil kostnader ved skinnebrudd, inklusiv trafikkforstyrrelser kostnader ved avsporing andre kostnader knyttet til et skinnebrudd For å komme frem til kostnadene trenger modellen følgende input: 2.4 tilvekst av nye skinnefeil tid detekterbar kritisk feilstørrelse (P-F intervall) deteksjonspålitelighet for ultralydkontrollen andel av skinnebrudd som oppdages før ytterligere konsekvenser oppstår andel av uoppdagede skinnebrudd som medfører avsporing Søkeroppsett / avsøkingsområde Ved ultralydkontroll av skinner må lydbølgene overføres fra søkerene til skinnen i fart. Dette stiller store krav til søkeroppheng og utstyr for å sentrere søkerne i forhold til skinnens senterlinje. Det finnes to måter å arrangere søkerene på; ved å montere søkerne i sleider som sklir på skinnen, eller ved å integrere søkerne i væskefylte hjul. Figur 6 viser søkerarrangement med sleide som er plassert i ultralydtog fra NS Infra Service, mens Figur 7 viser søkerne til Sperry Rail Service som er integrert i væskefyllte hjul. I begge tilfeller er det nødvendig med en vannfilm som kontaktmiddel mellom søkere og skinne. Ultralyd-målevogner er derfor utstyrt med store vanntanker. 8

9 Figur 6 Sleide med ultralydsøkere Figur 7 Ultralydsøkere integrert i hjul Figur.8 Søkeroppheng til manuell ultralydtralle 9

10 minimumoppsett Ved stasjonær ultralydkontroll av skinner i valseverk benyttes 6-20 søkere som avsøker hele profilet. Ved ultralydkontroll i spor er det av praktiske årsaker bare mulig å plassere søkere på skinnehodet. Figur 9 viser minimumoppsett og avsøkingsområde for ultralydkontroll i spor. Noen målevogner har i tillegg ekstra søkere bl.a. for å avsøke en større andel av skinnehodet. Figur 9 Minimum søkeroppsett ved ultralydkontroll av skinner I tillegg til minimumsoppsettet er det etter hvert blitt vanlig med flere søkere for å utvide avsøkningsområdet og detektere flere feiltyper. Tileggsøkere kan være: satelittsøkere satelittsøkere for å avsøke skinnehodet ut mot kjørekant/utside VSH (Vertical Split Head) søkere for vertikale langsgående sprekker laskehullsøkere for bedre avsøking i skinnesteget Flere operatører anvender i dag såkalte satelittsøkere for å kunne avsøke større deler av skinnehodet enn det som er mulig med standard 700-søkerne. Kontaktutmattingsfeil er en feiltype som blir stadig viktigere. Denne feiltypen starter ofte i avrundingen mellom kjørekant og kjøreflate. Med satelittsøker kan man detektere sprekker som stammer fra kontaktutmatting tidligere. Figur 10 viser avsøkningsområde fra 700 satelittsøkere som brukes i SRS 200 (Sperry) Figur 10 Avsøkningsområde - satelittsøkere SRS 200 Vertikale langsgående sprekker (VSH) vil ikke gi noe ekko fra standard søkere. Ideelt skulle vi plassert søkere på skinnehodets sidekanter for å detektere slike feil. Av praktiske hensyn er imidlertid dette ikke mulig. I den 10

11 senere tid er det imidlertid blitt utviklet spesialsøkere for deteksjon av vertikalsprekker. VSH-søkere Figur 11 VSH-søker i Speno US6 Figur 12 VSH - søker i Sperry SRS200 VSH-søkerne har et begrenset avsøkingsområde Vi ser at ingen av søkerne over er i stand til å detektere vertikalsprekker i steget. laskekammersøkere For avsøking av feil i skinnesteget brukes vinkelsøkere som sender lyden ut med vinkel. Figur 13 viser laskekammersøkere som brukes i Speno US6. 11

12 Figur 13 X-fire Søkere for deteksjon av sprekker i skinnesteg Kjørekantsprekker er vanskelig å detektere med ultralyd fordi sprekkene som opptrer med liten innbyrdes avstand sperrer lydveien for hverandre. Sperry Rail Service har utviklet en spesialsøker for å omgå dette problemet. Søkeren som kalles X-fire sender lyden sideveis nedover i skinnen slik at lydbølgene reflekteres av undersiden av skinnehodet og sendes opp mot overgang kjørekant/kjøreflate. På denne måten kan kjørekantsprekkene detekteres fra undersiden. Figur X-fire søker for deteksjon av kjørekantsprekker Data-analyse Ved ultralydkontroll med manuell tralle kan operatørene følge med på det analoge A-scan bildet som tegnes opp på instrumentenes skjerm. Ved kontroll med målevogn økes hastigheten opp til 50 km/h. I denne hastigheten har ikke en operatør mulighet til å fange opp feilindikasjoner fra den analoge instrumentskjermen. De analoge signalene blir derfor digitalisert ved testing med målevogn. Figur 15 viser skjematisk hvordan data fra ultralydsøkerne blir behandlet i Speno US6 ultralydtog. En pulsgiver/mottaker styrer og mottar ultralydpulsene. Denne gir en puls for hver 4 mm målevogna beveger seg. RTGD-monitor 12

13 Lydbølgene som mottas blir gjengitt på oscilloskop (CRT) før signalene blir digitalisert. Oscilloskopene brukes hovedsakelig for kontroll av at søkere og de analoge instrumentene fungerer som de skal. Under testing tegnes det opp et sanntids bilde av signaler fra samtlige søkere på en RTGD-monitor. Figur 15 Bilde fra RTGD-monitor Figur 15 viser utskrift fra et bilde på RTGD-monitoren. Her vises indikasjoner fra søkerne som prikker på skjermen. Når målevogna beveger seg fremover ruller bildet nedover slik at man kan følge med på feilindikasjoner i sann tid. Data som danner bildene fra RTGD-monitoren lagres digitalt slik at bildet fra enhver posisjon langs sporet kan hentes frem i ettertid. 13

14 Figur 16 rapportgenerator Prosessering av data på Speno US6 Signaler (og bortfall av signaler) fra ultralydsøkerne danner et mønster. I en rapportgenerator blir dette mønsteret fortløpende sammenlignet med mønster fra kjente feil og mønster fra laskehull, skinneender og andre normale diskontinuiteter i skinnen. På denne måten kan rapportgeneratoren skille ut og rapportere virkelige feil. 14

15 2.5.1 Rapportering av skinnefeil Etter hvert skift med ultralydkontroll med målevogn leveres rapport over feilindikasjoner. Rapporten består normalt av: listerapport med liste over alle indikasjoner grafisk presentasjon av hver feil (B-scan) På listerapporten angis hver feil med km, skinnestreng (H/V), feiltype, objekt og hvilken søker som har detektert feilen. Listerapporten kan også inneholde opplysninger om feilstørrelse, utbredelse og plassering i skinnen. grafisk presentasjon Figur 17 viser et eksempel på en grafisk presentasjon av en tverrsprekk i en thermit-sveis. Bildet representerer 1 m av både høyre (øverst) og venstre (nederst) skinne. På bildet ser vi indikasjoner både fra 700-søkeren og normalsøkeren. Øverst på bildet markerer en tykk strek at vi ikke har noe bunnekko. På hver side av feilen ser vi ekko fra laskehullene presentert. Figur 17 B-scan bilde fra NS ultralydtog Den endelige rapportering skjer av ultralydoperatører ved etterkontrollen. Figur 18 viser rapportskjema som brukes av. Her påføres feilgruppe, UIC-kode, skinnestreng, km-angivelse og banenr. Feilen tegnes inn på en skisse av skinnen. 15

16 Figur Rapportskjema for ultralydkontroll av skinner Begrensninger ved ultralydkontroll Ultralydkontroll av skinner i spor har klare begrensninger slik at det ikke er mulig å oppdage alle typer skinnefeil ved hjelp av denne metoden. De viktigste begrensningene er: 16

17 2.6.1 Vertikale langsgående sprekker Dette er sprekker som pga. av sin orientering ofte ikke gir noe ekko tilbake til ultralydmottakerene. I de senere år er det imidlertid utviklet spesielle søkere som kan detektere denne feiltypen. Figur 19 Lydvei ved vertikalsprekker og normalsøker Figur 20 Vertikal langsgående sprekk Feil som ligger utenfor avsøkningsområdet Alvorlige feil kan utvikle seg utenfor avsøkningsområde. Figur 21 viser en feil som ikke vil bli detektert ved ultralydkontroll. Den senere tid er det imidlertid blitt utviklet systemer med søkere som avsøker en større andel av skinnehodet. 17

18 Figur 21 Skinnefeil utenfor avsøkningsområdet Feil i aluminiotermiske skjøtsveiser Aluminiotermiske skjøtsveiser har en langt grovere struktur enn skinnen forøvrig. Ultralyden har ofte problemer med å trenge gjennom denne strukturen. Lave skjøter skaper også problemer fordi søkerne lett mister kontakten. Dette gjelder spesielt søkere som glir på skinnen. Søkere integrert i hjul vil lettere følge kjøreflaten over lave skjøter. Figur 22 Søkere mister kontakt over lave skjøter Feil i svært slitte skinner Skinner med svært slitt profil eller med alvorlig bølgedannelse vil skape kontaktproblemer for ultralydsøkerene Overflatefeil Ultralyd kan ikke detektere feil som ligger nærmere kjøreflaten enn 4-8 mm. 18

19 3. INDUKSJONSMETODER Ved å sende en elektrisk strøm lokalt inn i skinnen vil det induseres et elektromagnetisk felt nær skinnen. Dersom det er en overflatesprekk i skinnen vil denne skape forstyrrelser i feltet. Ved å overvåke feltet kan man detektere overflatesprekker i skinnen. Allerede i 1928 startet Sperry Rail Service tester av skinner basert på induksjonsprinsippet Figur 23 Induksjonsprøving av skinner Problemer knyttet til kontaktutmattingsfeil den senere tiden har aktualisert testing av skinner ved hjelp av induksjonsmetoder som for eksempel Eddy Current. I Tyskland er utføres pulserende Eddy Current testing av skinner ved å instrumentere DB sitt ultralydtog med virvelstrøm instrumenter. I en hastighet av 72 km/h kan toget detektere kjørekantsprekker (head checks). Også Eurailscout sitt UST02 tog har pulserende Eddy current instrumenter montert. Figur 24 Eddy Current søkere på DB ultralydtog 19

20 Alternating Current Field Measurement (ACFM) er en teknikk som er utviklet av TSC Inspection Systems i England. Denne teknikken måler absoluttverdier av magnetfelttet i sanntid og er ikke avhengig av direkte elektrisk kontakt med skinnen. Teknikken er heller ikke sensitiv overfor strukturforandringer i stålet som kan oppstå ved passering over sveiser. Det er utviklet en en-strengstralle med instrumenter basert på denne teknikken i England. Figur 25 ACFM - "Walking stick" 20

21 4. LAV FREKVENT ULTRALYD Guided Ultrasonics Ltd har utarbeidet et system for ledede ultralydbølger til testing av skinner. Ledede bølger er tidligere brukt til å teste lange rørlengder i petrokjemisk industri Tradisjonell ultralydtesting av skinner møter store utfordringer innenfor to spesifikke områder; vertikale sprekker og aluminiotermiske skjøtsveiser. Ledede ultralydbølger har et potensial for effektivt å detektere feil innenfor disse to områdene I motsetning til tradisjonell ultralydkontroll, vil de ledede ultralydbølgene propagere langs skinnen i stedet for gjennom skinnens tverrsnitt (Figur 26) De ledede lydbølgene er spesielt sensitive til defekter i skinnens tverrplan. Frekvensen som anvendes ligger i området khz i motsetning til 2 6 Mhz som er vanlig ved tradisjonell ultralydtesting. Ved dette lave frekvensområdet kan aluminiotermiske skjøtsveiser effektivt gjennomsøkes. Figur 26 Lav frekvent ultralyd 21

22 Figur 27 G-scan lav-frekvent ultralyd instrument 22

23 5. LASERBASERT ULTRALYDINSPEKSJON En helt ny inspeksjonsteknikk går ut på å generere ultralydbølger ved hjelp av høyenergi laserstråler i stedet for piezo-elektriske elementer. En artikkel fra det amerikanske tidsskriftet Railway Track & Structures beskriver et målesystem som er utviklet av Tecnogamma SPA. Høyenergi laserstråler genererer ultralydbølger i skinnen som blir fanget opp av kapasitive luftkoplede lydhoder. Laserstrålen styres mot et punkt eller en linje på skinnen ved hjelp av en serie speil. Laseren opererer med en bølgelengde på 1064 nm og produserer 4-7 ns pulser med en energimengde på rundt 800mJ pr. puls. Lydhodene, som opererer med en bred frekvensrespons på mellom 40KHz og 2,25 Mhz, kan motta signaler i en relativ lang avstand fra skinneoverflaten. Dette gir en langt større frihet mhp. plassering av lydhodene i forhold til skinneprofilet enn ved tradisjonell ultralydinspeksjon. Mens tradisjonell ultralydinspeksjon av skinner må overføre lydbølgene på skinnens kjøreflate, kan lydenergien med dette systemet overføres til skinnen over et mye større område av profilet. Dette gjør at målesystemet kan brukes til å detektere feil som pga sin orientering og plassering har svært lav eller ingen deteksjonspålitelighet med tradisjonell ultralydteknikk, for eksempel vertikalsprekker. Force Technology i Danmark samarbeider for tiden med Bane Danmark med å utvikle et lignende system for laserbasert ultralydkontroll av skinner. FORCE kaller sitt system for LURI Laser Ultrasonic Rail Inspection. En prototyp av systemet er testet i Danmark med en kontrollhastighet på 40 km/h. FORCE mener har imidlertid testet systemet i laboratoriet til 100 km/h med roterende prøveobjekt. 23

24 NBIU 2010/2011 SKINNER LITTERATURHENVISNINGER 1. Demonstration and limited application of ZETA-TECH`s Risk Based Ultrasonic Rail Test Scheduling Software (RailTest) on two Banverket lines Report july 30, Pioneering Inspection of Railroad Rails with Eddy Currents H. - M. Thomas, BAM Berlin (Federal Bureau of Material Testing),M. Junger, ROHMANN GmbH Frankenthal, H. Hintze, R. Krull, Deutsche Bahn AG, Kirchmöser, S. Rühe, Prüftechnik Linke & Rühe, Magdeburg 3. Rail flaw detection using a laser-based ultrasonic approach Railway Track & Structures juni Interim Guidelines on the selection of rail grades Report D4.1.3 Innotrack project 2008 FT

25 NBIU 2010/2011 SKINNER STIKKORDREGISTER A Alternating Current Field Measurement 20 Aluminiotermiske skjøtsveiser 18 avsøkingsområde 8, 10 B bunnekko 4, 15 bølgedannelse 18 E etterkontroll 5 G Guided Ultrasonics Ltd 21 H håndsøkere 6 K kjøreflaten 18 L laskekammersøkere 11 Lav frekvent ultralyd 21 ledede ultralydbølger 21 M målevogn 5 N normalsøker 4, 17 O oscilloskop 4, 13 P piezo-elektrisk element 4 pulsgiver 12 R rapportgenerator 14 RTGD-monitor 12, 13 S satelittsøkere 10 skinnebrudd 3 T TSC Inspection Systems 20 U ultralydkontroll 4, 5, 8, 10, 12, 15, 16, 17 ultralydtralle 5 V valseverk 10 Vertikale langsgående sprekker 17 vinkelsøker 4 VSH-søker 11 FT