Anyagtulajdonságok mérésére szolgáló intelligens folyamatanalitikai rendszer (Forrás: Fraunhofer IOSB)

A roncsolásmentes vizsgálatok végzését általánosságban két cél vezérli. Az egyik az ember és a környezet védelme – ez a „társadalmi” cél; a másik a vizsgált szerkezet teljesítő­képes­sé­gé­nek az optimalizálását szolgálja – ez az „üzleti” cél. Ne tagadjuk, hogy a két cél gyakran kerül ellentmondásba egymással, ami nehezíti a roncsolásmentes vizsgálat valódi értékének a megítélését.

A világban az elmúlt évtizedekben mélyreható változások zajlottak és zajlanak ma is, amelyek hatással vannak a roncsolásmentes vizsgálatok jelenére és jövőjére. Ezek közé soroljuk a globalizációt, amely – a gazdaság, a technika, a pénzügy, a politika és a kultúra területén – az egész világra kiterjedő rendszereket létrehozó folyamatok összessége. Idetartozik természetesen a digitalizáció, amelynek eredménye az információs (azaz a kommunikáció által vezérelt) társadalom, amelyben találkozik a munkaeszköz (tech­noló­gia) forradalma a kapcsolatteremtés (kommunikáció) forradalmával. A digitalizáció rakta le a technológiai forradalom jelenleg zajló, negyedik fázisának (közismert nevén Ipar 4.0) az alapjait, amire a fizikai és a digitális világ közötti híd (hálózatot alkotó kiber-fizikai rendszerek) épül.

A roncsolásmentes vizsgálat evolúciós folyamata már túl van a hagyományos Non-Destructive Testing (NDT) nevet viselő időszakon. Már néhány évtizede beléptünk a kvantitatív roncsolásmentes vizsgálat komplexebb, az értékelést is részben magába foglaló időszakába, amit egyre elterjedtebben a Non-Destructive Evaluation (NDE) elnevezéssel illetünk. Cikkünkben a továbbiakban ez utóbbi elnevezést és angol rövidítését használjuk.

Az evolúció – a folyamatosan érzékelhető hatások

Az NDE, mint piaci tevékenység, évtizedek óta átnyúlik az országhatárokon, azaz nyilvánvaló módon globalizálódott. Ennek szükségszerű következménye volt, hogy a vizsgálatok előírásai, szabványai, irányelvei is nemzetközi dimenziót öltöttek. Ezek között vannak európai szintűek, például a Pressure Equipment Directive (PED) vagy a European Network of Inspection and Qualification (ENIQ) útmutatója, és vannak adott ipari szektorra vonatkozóak, például a National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program (NADCAP) dokumentumai. De vannak az egész világra kiterjedőek is, mint például az International Organization for Standardization (ISO), az International Atomic Energy Agency (IAEA) vagy az International Institute of Welding (IIW) dokumentumai.

Az információs technológia (IT), valamint a nano- és mikro­elektronika fejlődésének eredményei folyamatosan integrálód­nak az NDE műszaki eszköztárába. Napjainkban már olyan fej­lesztő architektúrák vannak, amelyek képesek a különböző vizsgálati technológiák integrálására. A mikroelektronikai eszközök egyre „intelligensebbé” válása következtében megindult a szoftver- és hardvereszközök határának összemosódása. A vékonyréteg-technológia fejlődése eredményeként kvantumfizikai hatások is kimérhetők az érzékelőkkel (sensor-on-chip). A legjobb példa erre az óriás mágneses ellenállás (giant magneto-resistance; GMR) elvén történő érzékelés az örvényáramos vizs­gálatban. Az örvényáramos tekercsek itt kvantumfizikai eszközök, a ferromágneses spin hatásán keresztül igen kis mágneses tér jelenlétét vagy a tér változását óriási mágnesesellenállás-változásként érzékelik. A változás sebességének illusztrálására idekívánkozik, hogy a GMR-alapon működő vizsgálóeszközök néhány évvel azután nyertek gyakorlati alkalmazást, hogy a 2007. évi fizikai Nobel-díjat megosztva, egy francia és egy német tudósnak a mágneses ellenállás jelenségének a felfedezéséért ítélték oda.

A komplex és nagy értékű műszaki létesítmények (mint például az atomerőművek, de idesorolhatók a repülőgépek is) hosszú távú, biztonságos üzemeltetése új gondol­kodás­módot igényel. Ez az új gondolkodásmód testesül meg e létesítmények élettartam-gazdálkodása és azon belül a szerkezeti anyagok öregedéskezelése proaktív meg­közelíté­sé­ben. A proaktív gondolkodás meg­valósításá­hoz elenged­he­tetlen volt az IT és a mikro­elektro­nika fejlődése. Az egyre érzékenyebb szenzorok ugyanis ki tudják szolgálni az „anyag­károso­dás korai detektálása” koncepciót. Ennek az a lényege, hogy egy repedést nem annak makroszkopikus méretűre növekedett szakaszában detektálnak (ez a hagyo­má­nyos vagy más szóval reaktív viselkedés), hanem azt a lokális környezetet keresik meg, ahol a repedés csírája keletkezni fog (ez a proaktív koncepció). A hagyományos esetben a szükséges intézkedések (javítás, csere) előkészítésére és végrehajtására rendelkezésre álló idő korlátozott, és az idő szorítása akár egy rosszul választott intézkedést is vonhat maga után. A károsodás proaktív kezelési módja esetében ez az időbeli korlát és az ezzel járó morális teher elhárul, mert a detektálás a károsodás kezdeti szakaszában, az inkubációs időszak elején történik.

A hagyományos, de némely esetekben még a korszerű NDE-eljárások és -technikák is a reaktív megoldást szolgálják. A károsodások proaktív kezelésére speciális NDE-eljárások alkalmasak. Ezek közé sorolható – egyebek mellett – az akusztikus impedancia mérése, a szórt mágneses fluxus vizsgálata, az akusztikus és a mágneses Barkhausen-zaj mérése vagy a villamos vezetőképesség mérése. Idetartozik a fémek mágneses emlékezetén alapuló eljárás (Metal Magnetic Memory; MMM) is, amely az anyagban található feszült­ség­koncentrá­ciós helyeken a gyártás folyamán, a környezeti hőmérsékletre történő lehűlés hatására, a Föld gyenge mágneses tere eredményeképpen kialakuló maradó mágneses hatást méri. Ezeknek a módszereknek és technikáknak a kutatására és kifejlesztésére folyamatosan nagy erőfeszítéseket fordítanak.

Kén-hidrogén okozta repedések kölcsönhatása, TFM-megjelenítés (Forrás: Olympus)

Egyre növekszik a valószínűsége annak, hogy a jelenlegi gyakorlatunkból ismert, hagyományos NDE-t valamikor fel fogja váltani a szerkezet állapotának, azaz „globális egészségének” a monitorozása (Structural Health Monitoring; SHM). Az SHM legfontosabb jellemzője az, hogy a monitorozó rendszer érzékelőit (optikai, akusztikus, elektro­mágne­ses stb.) beágyazzák a szerkezet kritikus pozícióiba. Így az érzékelők a tényleges üzemi és üzemzavari terhelés állapotában gyűjtik az adatokat, és továbbítják azokat folyamatosan az SHM-rendszer adatfeldolgozó egysége felé. Nyilvánvaló, hogy ez az eljárás is proaktív megközelítést alkalmaz. A rendszer a szerkezet állapotának (health) értékeléséhez a számára megtanítottak alapján felismeri a károsodási folyamatot (általában mesterséges intelligen­ciára építve), meghatározza a károsodás helyét, fokát, majd ezek alapján előrejelzést is ad a szerkezet jövőbeni alkalmazhatóságára nézve.

Egyre fontosabb helyet foglal el az NDE területén a numerikus szimuláció, elsősorban azokban az iparágakban, amelyek igényes vizsgálati eljárásokkal dolgoznak (pl. repülő­gép­gyártás, közlekedés, energiaipar). Ma már olyan integrált modellekkel történik a szimuláció, ami CAD tervezésű, komplex geometriát és inhomogén szerkezeti anyagot vesz figyelembe, és közvetlenül kapcsolódik az NDE céljainak megfelelő interfészhez. A korszerű szimuláció kiterjed az ultrahangos, az örvényáramos és a radiográfiai eljárásra; továbbá kezeli a közölt energia és a folytonossági hiány (repedés) kölcsönhatását. Ez teljes mértékben megfelel az ipari igényeknek, úgy a reprezentativitás, mint a gyorsaság és az egyszerűség tekintetében. A szimuláció egyre szélesedő alkalmazási területéhez tartozik a detektált hiányok értelmezése, az NDE-rendszerek minősítése, a vizsgáló személyek képzése és vizsgáztatása, továbbá a vizsgálat megbízhatóságának mérésére alkalmazott – és hagyományos eszközökkel rendkívül költségesen és időigényesen elő­állítható – POD (Probability of Detection) görbék generálása.

Robotkiszolgálású radiográfiai vizsgálat (Forrás: DGZfP e.V.)

Paradigmaváltás – az NDE új útja

A technológia forradalma a 18. század végén kezdődött, amikor az emberi erőt felváltották a víz és a gőz energiáját hasznosító gépek, majd a 19. század második felében folytatódott a villamos energia alkalmazásának, illetve a tömeg­gyártásnak a bevezetésével. A 20. század második fele hozta meg a következő forradalmi változást, amikor is a mikro­elektronika és a számítástechnika átveze­tett a digitális korszakba, és megkezdődött a folyamatok automati­zálása.

Az Ipar 4.0 célja egy tökéletesebb tervezés, gyártás, karbantartás, ellenőrzés az adatok (információ) feldolgozása eredménye­­ként, aminek eszközrendszeréhez olyanok tartoznak, mint a dolgok internete (Internet of Things; IoT), a digitális iker modell, a mes­terséges intelligencia, a gépi tanulás, a virtuális valóság és sorolhatnánk. Nyilvánvaló, hogy ennek megvalósításához az előzőekben említett globális folyamatok – különösen a digitalizáció – elenged­hetet­lenek.

A roncsolásmentes vizsgálat, és így természetesen az NDE is átment egy hasonló folyamaton. Ahogy az első ipari forradalom előtti időszakot a kézművesség jellemezte, úgy az NDE esetében az emberi érzékelés tekinthető a kiindulási alapnak. Tágabb értelemben idesorolható a látás, a hallás, a tapintás, a szaglás és az ízlelés útján szerzett információ. Ezt változtatta meg az NDE 1.0, amely alkalmas eljárások és eszközök használatának a bevezeté­sé­vel javított az emberi érzékelés hatékonyságán, de a vizsgálat továbbra is csak a tárgyak látható felületére korlátozódott. Az NDE 2.0 terjesztette ki a vizsgálati tartományt az objektumok belsejébe, azaz ekkor kezdték alkalmazni azokat a fizikai ismereteket, amelyek ezt lehetővé tették, például az elektromágneses sugárzás vagy az ultrahang-frekvenciájú hang és a szerkezeti anyag kölcsönhatása. A vizsgálati technika ekkor még analóg elven működött. A digitalizáció hozta meg az NDE 3.0 időszakot, amelynek eredményeként ma már mindennapi használatban van a digitális radiográfia, a komputertomográfia, a fázisvezérelt ultrahangos vizsgálat, sőt annak legfejlettebb változatai, mint a teljes információs mátrix feldolgozását jelentő FMC (Full Matrix Capture) technika vagy egy speciális jel­fel­dolgozó algoritmust megtestesítő TFM (Total Focusing Method). Mindezek ismeretében az NDE 4.0 nem más, mint a negyedik technológiai forradalom vívmányainak az alkalmazása a roncsolásmentes vizsgálat/értékelés területén, amelynek eredményeként az NDE szimbiózisba kerül az Ipar 4.0 technológiájával.

Turbinatengely robotkiszolgálású ultrahangos vizsgálata (Forrás: DGZfP e.V.)

A további részletek megismerése előtt érdemes itt megállni és röviden visszatekinteni a roncsolásmentes vizsgáló közösségnek a történésekre adott válaszára, illetve a folyamatba való bekapcsolódására. Magát az elnevezést – NDE 4.0 – 2017-ben vezette be Norbert Meyendorf (abban az időben: Iowa State University) egy nemzetközi konferencián tartott előadásában. Nem sokkal később a Német Roncsolásmentes Vizsgálók Társasága (DGZfP) ZfP 4.0 néven szakbizottságot alapított, majd az Amerikai Roncsolásmentes Vizsgálók Társaság (ASNT) hozta létre az NDE 4.0 elnevezésű bizottságát. „Felébredtek” a nemzetközi szervezetek is: a Nemzet­közi Roncsolásmentes Vizsgálati Bizottság (ICNDT) 2019-ben szakértői csoportot, az Európai Roncsolásmentes Vizsgálati Szövetség (EFNDT) 2020-ban munkabizottságot hozott létre. Illik megismerni a folyamatok élén álló és azokat mozgató, irányító személyek, tulajdonképpen az NDE 4.0 nagykövetei nevét is: a tengeren túl Ripi Singh, Európában Johannes Vrana és a már említett Norbert Meyendorf itt is és ott is aktív.

Az Ipar 4.0 teljesen új alapra helyezi a folyamatokat, ami természetesen új utat jelöl ki az NDE számára is. Az új út nem lehetőség, hanem a helyzetből adódó szükségszerűség. Az ábra az Ipar 4.0 és az NDE 4.0 egy – szakértők által elfogadott – fejlődési folyamatát mutatja (vigyázat: az egyes fázisokhoz nem ugyanaz az időskála tartozik). A vázolt koncepció szerint a negyedik forradalomban megtörténik a két terület összeolvadása, pontosabban fogalmazva az NDE integrálódik a technológia (általános) forradalma eredményeként kialakuló világba. Az Ipar 4.0 lényegében a meglévő elemek fejlett hálózatának kialakítása a digitális kor eszközeivel, a folyamatban képződő információk felhasználásával, a jövő piaci igényeinek a kielégítésére. Fontos rögzíteni, hogy a jövő piaci igényei nem azonosak a jelenével. Elég, ha csak az additív gyártásra gondolunk, amelynek eredménye „egyedi tömeggyártás” is lehet (!). Ezt a ma még nem minden részletében ismert világot kell kiszolgálnia az NDE-nek. Érdemes talán itt megjegyezni, hogy Neumann Jánosnak az 1955-ben írt Can we survive technology? (Túl tudjuk élni a technológiát? – a szerk.) című tanulmányában összefoglalt gondolatai között megjelenik az akkori jövő technológiai kilátásainak kérdése is, amit ő a technológia érlelődő válságaként értelmezett.

Az Ipar 4.0 és az NDE 4.0 kapcsolata

Ha az Ipar 4.0 felől nézzük a jövőt, megállapíthatjuk, hogy az NDE lehetőséget kapott a vezető technológiáknak, azaz a technológiai forradalom vívmányainak az alkalmazására. Ennek az eredményei beépülnek az NDE technikai meg­oldásaiba és technoló­giáiba (pl. robotizáció, különös tekintettel a drónok használatára) vagy az adatfeldolgozásba és értékelésbe (pl. gépi tanulás). A technológiai feltételek lehetőséget teremtenek az NDE-adatok statisztikai fel­dolgozá­sára, egyebek mellett a vizsgálat megbízhatósága, a vizsgálat teljesítőképessége, az eredmények konziszten­ciája, a vizsgálók kompetenciája és végső soron az ellenőrzés/vizsgálat értéke terén. Ha ugyanezt az NDE 4.0 felől nézzük, akkor meggyőződéssel kijelenthetjük, hogy a vizsgálatok szállítják az Ipar 4.0 számára az egyik legnagyobb tömegű és legértékesebb információt. Ehhez szükség van az IoT-be történő integrációra, az adatok átláthatóságának biztosítá­sára, illetve olyan további eszközök használatára, mint a digitális iker vagy a párhuzamosítás (thread).

Nézzünk néhány részletet. Törvényszerű volt, hogy a gépi tanu­lás alkalmazásának lehetősége megjelenik az anyag­tudományban is. Így nem meglepő, hogy az NDE is megtalálta hozzá az utat. Az eljárás lényege egy automatikus tanulás egy adatbázis tapasztalataiból, megfigyeléseiből és különböző mintázatok elemzéséből, előzetes programozás nélkül. Ehhez alkalmas számítási kapacitás, algoritmus és nagy mennyiségű adat (big data) kell. Az NDE esetében az utóbbi általában hiányzik, mert – szerencsére – nem detektálunk tömegesen folytonossági hiányokat (hétköznapi nyel­ven: hibákat). Ezért a szerény folytonossági hiány populációt virtuális úton fel kell duzzasztani. Ha már rendelke­zésre áll a nagy adatmennyiség, akkor megfelelő algoritmussal (mesterséges intelligencia) megoldható a vizsgálati feladat.

A nem túl távoli jövő képébe tartozik a távoli NDE (remote NDE). Ez azt jelenti, hogy a vizsgálatot egy operátor vagy egy robot végzi, és az értékelésért felelős szakértő a világ egy másik pontján található. A kommunikáció eszköze az internet.

Egy további lépés az „NDE mindenkinek” koncepció megvalósítása. Az okostelefonok magasan integrált eszközök, amelyek számítógépet, kamerát, szenzorokat (pl. GPS), hőmérőt, gyorsulásmérőt, mikrofont, Bluetootht, WiFi-t és egyebeket tartalmaznak. Már ma is alkalmasak például az eszköz használója egészségi állapotának (pulzusszám, vér­nyo­más, zsír­tartalom stb.) diagnosztizálására. Ebből logikusan következik, hogy az okos­telefonok a szerkezetek állapotá­­nak a diagnoszti­zálá­sára is alkalmazhatók. Már a világ több kutatóhelyén fejlesztettek ki olyan alkalmazásokat, amelyekkel az okos­telefonok – örvény­ára­mos, ultrahangos, infravörös termográfiai vagy egyéb eljárások­kal – NDE-feladatok elvégzé­sére is alkalmassá váltak.

Zárszó

Nyilvánvaló, hogy a világban végbemenő és az életünket formáló változások jelentős hatással vannak az NDE-re is. A változások fő irányát és tartalmát az Ipar 4.0 és az NDE 4.0 folyamatok harmonizációja határozza meg. Ebben a közös folyamatban előbb vagy utóbb a digitalizáció minden elemét alkalmazni lehet. Hétköznapi alkalmazást nyernek az ilyenek, mint a modellezés és szimuláció, a valós idejű ellenőrzés, az internethasználat, az IoT, a gépi tanulás, a virtuális iker és a távoli NDE. Előnyös tulajdonságaik lehetőséget teremtenek a primer NDE-adatok széles körű feldolgozására, ami hozzájárul a vizsgálat megbízhatóságának, a vizsgálat teljesítő­képességének, a vizsgálati eredmények konzisztenciájának növeléséhez. Az adatokból következtetéseket vonhatunk le a vizsgálók kompetenciájára nézve is, és – összességében – reálisabban jelenik meg előttünk az NDE valódi értéke. Ebben a cikkben nem térhettünk ki a kérdéskör valamennyi elemének a bemutatására. Kimaradt például az NDE 4.0 (de ez akár kiterjeszthető az Ipar 4.0-ra) igényelte kulturális változások vagy a vezetői attitűd változásával kapcsolatos kérdések tárgyalása, de ugyanígy kimaradt magának a 4.0 szellemiségnek a megvalósításához elengedhetetlen adat­csere-protokoll kérdése is. Szilárd meggyőződésünk, hogy ez az út oda vezet, hogy az NDE az Ipar 4.0 számára korábban elképzelhetetlen mennyiségű és értékű információt fog szolgáltatni.•