Oförstörande provning inom SKF

Oförstörande provning inom SKF

För att upprätthålla en hög och enhetlig kvalitetsnivå i linje med företagets specifikationer använder SKF ett antal metoder för oförstörande provning.

Författare:
Jonas Hallbäck, senior specialist inom oförstörande provning, kvalitetsteknik – SKF Group Technology Development, Göteborg

Simulering och programvara

Sammandrag

SKF har ambitionen att säkerställa hög kvalitet inom tillverkning och rekonditionering genom att bibehålla hög tillförlitlighet hos de ­provning­ar som genomförs under tillverknings­processen. Oförstörande provning är en viktig metod för kvalitetskontroll, där SKF kontinuerligt strävar efter förbättring, standardisering och teknisk utveckling. Förbättrad tillförlitlighet för OFP inom SKF stöds genom att säkerställa tillgång till korrekt och fullgod utrustning, väldefinierade procedurer, utbildade och skickliga operatörer och hög grad av automatisering. SKF är också redo att utnyttja de nya möjlig­heter som erbjuds i och med digitala och tillgängliga OFP-mätdata från SKFs olika lagertillverkningsprocesser.

I dag tillämpar SKF modern oförstörande provning i samband med tillverkning och renovering samt inspektioner under drift. Syftet är att säkerställa produktens integritet och tillförlitlighet, styra tillverkningsprocesser, minska produktionskostnader och att upprätthålla en enhetlig kvalitetsnivå i linje med SKFs specifikationer.

Quality Technology (QT) är en central grupp inom SKF Group Technology Development (GTD). Gruppen fokuserar på standardisering och utveckling av alla kvalitetsinspektioner i SKFs fabriker. Ett viktigt område där gruppen verkar för standardisering inom SKFs tillverkningsverksamhet är oförstörande provning (OFP).

Fig. 1: Grundläggande principer för ultraljudsprovning.

Fig. 1: Grundläggande principer för ultraljudsprovning.

Oförstörande provning (OFP)
Oförstörande provning kan definieras som processen att inspektera, testa eller utvärdera material, komponenter eller sammansättningar med avseende på diskontinuiteter eller avvikelser i materialegenskaper, utan att påverka den aktuella komponentens funktionsduglighet. Med andra ord, när kontrollen, inspektionen eller provningen har genomförts kan komponenten fortfarande användas.

OFP-metoder kan baseras på fysikaliska fenomen som elektromagnetisk strålning, ljudutbredning och inneboende egenskaper hos material, för att undersöka fasta objekt, som lagerkomponenter. Det finns många olika OFP-metoder. De vanligaste metoderna är:
 

  • ultraljudsprovning
  • elektromagnetisk provning
  • magnetpulverprovning (virvelströmsprovning)
  • radiografisk provning
  • provning med flytande penetrant
  • visuell provning
  • provning med akustisk emission
  • termisk provning/infraröd provning.

Av dessa metoder är ultraljuds- och virvelströmsprovning de två vanligast förekommande inom lagertillverkning. Nedan följer en mer detaljerad beskrivning av dessa metoder.

Fig. 2

Fig. 2: Ultraljudstransduktorer med dess grundläggande komponenter och den resulterande fördelningen av ljudtryck i vatten. A: Transduktorkapsling; B: Piezoelektrisk kristall; C: Slitplåt eller lins.

Ultraljudsprovning
Ultraljudsprovning (UT) är en serie av oförstörande provningsmetoder baserade på utbredningen av ultraljudsvågor i föremålet eller materialet som provas. I de vanligaste UT-applikationerna överförs mycket korta ultraljudspulsvågor, med mittfrekvenser från 0,1 till 20 MHz, till material för att detektera interna brister eller för att fastställa vissa egenskaper hos materialen.

I praktiken skickas ultraljudsljudenergi in i den komponent som ska provas genom att man sätter den i kontakt med en transduktor ansluten till ett diagnostiskt instrument. Transduktorns nyckelkomponent är piezokristaller som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi i form av ljudpulser som riktas in i materialet [1].

Dessa pulser reflekteras av diskontinuiteter i materialet, som inneslutningar och porer som bildas under ståltillverkning (fig. 1).

Fig. 2 visar de principiella delarna av en transduktor samt det resulterande ljudfältet, här representerat av ljudtrycket för vågor som utbreder sig i vatten.

Fig. 3

Fig. 3: Principer för virvelströmsprovning.

Virvelströmsprovning
Virvelströmsprovning (ET) är en av många elektromagnetiska provningsmetoder som används inom OFP. Här utnyttjas elektromagnetisk induktion för att detektera och karakterisera ytfel och fel under ytan i elektriskt ledande material som stål och aluminium.

Principerna för ET [2] visas i fig. 3. Virvelströmmar bildas genom en process som kallas elektromagnetisk induktion. När en växelström skickas genom en ledare, till exempel en koppartråd, utvecklas ett magnetfält i och kring ledaren (a). Detta magnetfält expanderar när växelströmskurvan går mot sina maximum och kollapsar när strömkurvan passerar nollinjen. Om en annan elektrisk ledare förs i närheten av detta föränderliga magnetfält induceras en ström i den andra ledaren. Virvelströmmar är inducerade elektriska strömmar som flyter i en cirkulär bana (b).

Variationer i den elektriska konduktiviteten och den magnetiska permeabiliteten hos provningsobjektet samt närvaro av defekter orsakar en förändring i virvelströmmarna och en motsvarande förändring i fas och amplitud, vilket kan detekteras med ett instrument som är anslutet till proben (c).

I de olika stegen av SKFs tillverkningsprocesser används ET-teknik på partiellt och helt färdigställda lagerkomponenter, i syfte att fastställa materialegenskaper och avslöja ytnära defekter som sprickor och termiska skador som kan uppstå vid intensiv bearbetning.

Fig. 4

Fig. 4: Inline-inspektionsmaskin för automatisk ultraljudsprovning. Provning av lager till järnvägshjul och axelboxar (nedan).

OFP inom SKFs tillverkning
SKFs arbete med kvalitetssäkring inleds redan på råvarustadiet. Företaget samarbetar med sina leverantörer för att säkerställa att alla inköpta råvaror uppfyller SKFs krav. Automatiserad 100-procentig inline-OFP är en viktig del av dessa krav.

De allra flesta OFP-inspektioner vid SKF utförs genom hela tillverkningsprocessen. SKF följer alla relevanta industrinormer som föreskrivs i branscher där SKF-lager används, som inom järnvägs- och flygindustrin. Fig. 4 visar en maskin för 100-procentig inline-provning av lager till järnvägshjul och axelboxar OFP-tekniken drivs primärt av kundernas behov av ökad tillförlitlighet, och den tekniken efterfrågas av allt flera branscher, bland annat fordonsindustrin och sektorn för förnybar energi.

SKF har sina egna kriterier för lager till vindkraftverk.

Fig. 5

Fig. 5: C-scan-bild (vänster) av en lagerlöpbana, vilken representerar ultraljudsenergi som reflekteras från defekter under ytan. Efter att provningsobjektet delats längs sprickor under ytan kan ultraljudsprovningen korreleras med resultaten från optisk mikroskopi (höger).

Rekonditionering och avancerad undersökning i samband med fältreturer
Lager som har varit i drift eller som har uthållighetstestats i en testrigg kan undersökas med olika OFP-metoder. Syftet är att ge ökad insikt i orsaker till lagerhaverier och lagerskademekanismer eller, när det gäller inspektion inför lagerrekonditionering, att kontrollera om det finns ytskador och bedöma om lagerkomponenten är lämplig för fortsatt drift.

Som en del av sitt arbete med haveriundersökning använder SKF ultraljudsprovning för att upptäcka utmattningssprickor under ytan. Fig. 5 (vänster) visar en C-scan-bild som representerar reflekterad ultraljudsenergi från sprickor under ytan kring omkretsen av ett lagers löpbana. Efter snitt och mikroskopiundersökning kan ultraljud­signaler korreleras till upptäckta faktiska skador under ytan, så som visas i fig. 5 (till höger).

Automatiserad respektive manuell OFP
SKF verkar för en allt högre grad av automatiserad OFP i sina tillverkningsprocesser. Den främsta orsaken till detta är att man önskar öka förmågan att på ett tillförlitligt sätt lösa inspektionsuppgiften. Det har visats i flera studier att även med noggrant beskrivna procedurer och skickliga operatörer lider alla manuellt utförda inspektioner av lägre kvalitet på grund av den mänskliga faktorn [3,4,5].

Alla OFP-metoder är statistiska till sin natur och deras förmåga att avslöja defekter kan bara beskrivas i termer av sannolikhet. Det finns följaktligen ingen visshet när det gäller OFP – bara sannolikhet. Förutom sannolikheten för detektering av en befintlig defekt måste man beakta sannolikheten för indikationer där det inte finns några defekter (det vill säga falska varningar) och sannolikheten för att inte upptäcka en befintlig defekt (det vill säga falska acceptanser) [6].

Tillförlitligheten hos en OFP-metod kan uttryckas som ett kvantitativt statistiskt mått på metodens förmåga att under givna omständigheter avslöja defekter av en specifik storlek på en definierad detalj. Tillförlitligheten hos den aktuella OFP-metoden styrs av ett antal faktorer, bland annat valet av manuell eller automatisk provning, utrustningens förmåga och personalens kompetens. Tillförlitligheten hos en OFP-process inom tillverkning kan uttryckas med hjälp av kurvan för detekteringssannolikhet (POD-kurvan). Fig. 6 visar principerna för en sådan POD-kurva. Fig. 7 visar SKFs mål att öka sannolikheten för detektering (POD) och tillförlitligheten hos OFP-tekniker genom att verka för automatisk inspektion, utbildade och skickliga operatörer, väl beskrivna rutiner och fullgod utrustning.

Digitalisering
Digitalisering är processen att digitalisera allt som kan digitaliseras och processen att omvandla information till digitalt format. Inom SKFs tillverkningsprocesser är digitalisering en del av industrins pågående omvandling – industri 4.0, eller den fjärde industriella revolutionen. Denna omvandling stöds också av digitaliseringen av inspektionsdata från oförstörande provning som utförs under tillverkningsprocessen.

Vanligtvis raderas data från utvärdering av OFP omedelbart efter avslutad provning, vilket utesluter möjligheten att studera hur en komponent utvecklas över tid. Även om data sparas går ofta sammanhanget förlorat, vilket begränsar möjligheterna att integrera sparad information i en helhetsrepresentation av komponenten [7], vilken i sin tur skulle kunna visa hur åtgärder kan vidtas i en tillverkningsprocess som baseras på kunskap från dessa data. Digitala och sammankopplade inspektionsdata kommer att öppna nya möjligheter för lagertillverkning, till exempel genom att tillåta snabb återkoppling och effektiv styrning av tillverkningsprocesser.

Fig. 8

Fig. 8: Ljudtryckfördelning i en lagerring som undersöks med ultraljud.

Modellering
För att påskynda utvecklingen och minska behovet av resurs- och tidskrävande fysisk provning fokuserar SKF på analysverktyg och simule­ringar inriktade mot OFP. Fig. 8 visar ett exempel på resultat från modellering av ljudtrycksfördelningen i en lagerring.

SKF samarbetar med externa partner i världsklass
För att säkerställa tillgång till den senaste utvecklingen inom OFP utvärderar SKF kontinuerligt möjligheter till samarbete med de bästa universiteten, forskningsinstituten och leverantörerna.

Ett av dessa initiativ är RCNDE [8] – Research Consortium in Non-Destructive Evaluation. Konsortiet är ett framgångsrikt samarbete mellan industrin och den akademiska världen, som medfinansieras av brittiska Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC). I konsortiet ingår internationella industriföretag som representerar sektorer som olja och gas, flygindustri, kärnkraft och tillverkningsindustri, liksom ­brittiska universitet som University of Manchester, Imperial College of London, University of Nottingham, University of Warwick, University of Strathclyde och University of Bristol. Dessa universitet bedriver grundforskning med koppling till frågor som är gemensamma för industrin, men har även riktade forskningsprojekt som avser specifika SKF-frågor.

SKF har också nyligen tecknat ett avtal om medlemskap i ARTC – Advanced Remanufacturing and Technology Centre, Singapore [9]. Detta centrum stöder SKF med utveckling inom rekonditionering och tillverkningsteknik på Technology Readiness Level (TRL) mellan 4 och 6. Detta betyder i praktiken att demonstrera ny teknik i en relevant miljö. Centrumets kärnkompetens är utveckling av icke-förstörande teknik för kontroll av nytillverkade och rekonditionerade komponenter.

SKF är vidare medlem av Jernkontoret, branschorganisationen för svensk stålindustri [10]. En av forskningskommittéerna vid Jernkontoret fokuserar på OFP. Kommitténs roll är att initiera och styra forskningsprojekt inom oförstörande provning som finansieras av svenska myndigheter och som genomförs vid svenska universitet och forskningsinstitut.

Referenser
[1] ASNT Handbook Non-destructive testing Volume 7 – Ultrasonic testing, 2007
[2] ASNT Non-destructive testing Handbook Volume 5 – Electromagnetic testing, 2004
[3] Marija Bertovic Human Factors Approach to the Acquisition and Evaluation of NDT Data, 18th World Conference on Non-destructive Testing, 16–20 april 2012, Durban, Sydafrika.
[4] Harris, D. H. and Chaney, F. B. Human Factors in Quality Assurance. (1969). New York, John Wiley and Sons.
[5] Drury, C. G. and Fox, J. G. Human Reliability in Quality Control. (1975). London, Taylor & Francis, Ltd.
[6] Guidelines to Minimize Manufacturing Induced Anomalies in Critical Rotating Parts, DOT/FAA/AR-06/3 – AIA Rotor Manufacturing Project (RoMan) Report, 24 oktober, 2006.
[7] S. Holland, E. Gregory, T. Lesthaeghe Toward Automated Interpretation of Integrated Information: Managing “Big Data” for NDE, ASNT Research Symposium 24 mars 2014.
[8] Research Centre in Non-Destructive Evaluation. https://www.rcnde.ac.uk/
[9] Advanced Remanufacturing & Technology Centre, Singapore. https://www.a-star.edu.sg/artc.
[10] Jernkontoret http://www.jernkontoret.se/en/research–education/.

Relaterat innehåll