Slimme sonar kijkt staal in de ziel

/strong>

In Nederland staan ontelbare stalen bruggen, die geregeld op defecten gecontroleerd worden. Niet dat een barst nu gelijk reden voor paniek is. ,,Een scheur van een paar millimeter hoeft geen enkel probleem te zijn”, stelt dr.ir. Maarten Bakker van de sectie constructiemechanica van Civiele Techniek (CT). ,,Je moet je pas zorgen gaan maken als een scheur groeit. Maar er zijn legio bruggen waar al jaren een flinke scheur inzit, zonder dat het enig gevaar oplevert. Een scheur kan tenslotte ook een natuurlijke ontlasting zijn voor krimpspanningen in het materiaal.”

Maar toch: scheuren horen niet. Inspecteurs klauteren daarom meerdere malen per jaar in de vakwerkconstructies om naar verdachte kraaienpootjes in de staalhuid te speuren. Veelal moeizaam handwerk, waarbij de kwast niet gespaard wordt. ,,Scheurtjes worden vaak opgespoord met penetrating dye. Een felgekleurd goedje dat, zoals de naam al zegt, diep in barstjes doordringt. Daarna wordt het oppervlak schoongeveegd en hopelijk zie je de scheurtjes dan zo zitten.”

Al met al een bewerkelijke operatie waarbij de verdachte brugdelen centimeter voor centimeter moeten worden afgekwast. Ook aan meer geavanceerde speurmethoden kleven nadelen. Bakker: ,,Röntgenstraling geeft bijvoorbeeld geen diepte-informatie. Je kunt aan de foto niet zien aan welke kant de scheur zit. Verder zit je natuurlijk met de straling, waarvoor je ook weer extra veiligheidsmaatregelen moet treffen. Andere elektromagnetische methodieken zijn vooral geschikt voor oppervlakte-inspectie en dun plaatwerk, zoals bij vliegtuigen. Bruggen worden geconstrueerd van staalplaten met oplopend tot tientallen millimeters.”

Verder delen al deze methoden een behoorlijk manco: ze werken alleen plaatselijk. Röntgenstralen of magnetische wervelstormpjes werken weliswaar aanzienlijk sneller dan de verfpot, maar de brug moet nog steeds stukje bij beetje worden afgewerkt.

Belletjes

Bakker promoveerde onlangs op een nieuwe methode voor non-destructieve materiaalinspectie, een project dat nog twee jaar doorloopt en deels wordt betaald uit STW-potjes. Tijdens zijn onderzoek ontdekte hij dat de scheurspeurders nieuwerwetse inspectietechnieken mijden. Hij weet nu ook waarom. Ook in de wereld van de materiaalcontroleur geldt: onbekend maakt onbemind.

,,Ik begon mijn onderzoek met het in kaart brengen van de wetenschappelijke inspectiemethodes. Toen ontdekte ik dat ze in de praktijk totaal niet worden gebruikt. De technieken blijken meer te worden ontwikkeld uit academische nieuwsgierigheid, en er is ergweinig aandacht voor de robuustheid van het systeem of het gebruiksgemak. De methodes sluiten daarom niet aan bij de kennis van de gebruikers, en die hebben daarom geen animo om ze te gebruiken.”

Een deel van Bakkers STW-commissie, waaronder Rijkwaterstaat, Hoogovens en Shell, was juist zeer geïnteresseerd in een praktisch inspectiesysteem. ,,Hoogovens gebruikt onder meer röntgenapparatuur om de kwaliteit van productiestaal te controleren. Daarmee kun je wel zien of er insluitsels of belletjes in het materiaal zitten, maar niet altijd waar ze zich bevinden of hoe groot ze zijn.”

Trillingspulsjes

Bakker ging op zoek naar een techniek die wel diepte-informatie geeft, niet beperkt is tot één klein gebied, en bovendien goed aansluit bij de gebruikspraktijk. ,,Daarmee kun je het toepassingsbereik van zo’n methode enorm vergroten. Je kunt dan denken aan de inspectie van offshore platforms en opslagtanks in de petrochemische industrie.”

Zo kwam hij uiteindelijk uit op de time-of-flight-defraction-methode (TOFD), een sonar-achtige techniek die werkt met trillingspulsjes. ,,Je kunt je het zo voorstellen”, legt Bakker uit. ,,Je geeft een klap op de staalplaat en meet hoelang het duurt voordat de echo ervan terugkomt. Als er een onverwachte echo terugkeert, komt dat dus door een obstakel, een scheur bijvoorbeeld. Op die manier kun je defecten in de staalplaat vinden en hun grootte bepalen.”

De onderzoeker ging nog een stap verder en gebruikte een bundel trillingen, een aanpak die hij multipath-time-of-flight (MTOFT) heeft gedoopt. Het klokken van de aankomsttijden blijkt hierbij voldoende om diep in de staalplaat te kunnen kijken.

Bakker wekt de pulsen op met een transducer, een elektronische trillingsbron die op de staalplaat wordt geplakt en schokgolfjes opwekt met een frequentie van rond de vijf megahertz. ,,In principe wil je een zo hoog mogelijke frequentie gebruiken, want doordoor is je resolutie ook beter. Maar hogere frequenties worden eerder verstrooid en dat zorgt voor extra meetruis. De golflengte is ook afhankelijk van het materiaal dat je wilt bekijken: constructiestaal is fantastisch homogeen, maar beton bevat allerlei steentjes en rommel van pakweg een kubieke millimeter of zelfs nog groter. In het algemeen heb je een golflengte nodig die groter is dan de normale insluitsels.”

Mosselen

Omdat er weinig bekend is over de ins and outs van de transducers, moest de promovendus eerst uitvogelen hoe deze zich gedragen. Daarna stelde hij een model op dat beschrijft hoe een bundel golven zich in de staalplaat gedraagt, en schreef hij een computerprogramma dat de meetdata direct vertaalt in een zwart-witplaatje. ,,Je kunt zo meteen zien hoe breed en diep een scheur is, en wat de afstand tot je trillingsbron is. Op dit moment lukt dat tot zeventig centimeter afstand, maar als je het systeem verder verfijnt moet je wel tot een meter kunnen komen.”

Alleen dikke, bladderende verflagen kunnen nog stokken in de wielen steken. ,,Een dunne coating hoeft geen probleem te zijn, maar bij een dikke laag gaat teveel trillingsenergie verloren. En die lagen mosselen op de poten van boorplatforms is helemaal dikke ellende. Bij bruggen worden gelukkig zelden dikke verflagen gebruikt.”

Omdat Bakker nog een paar jaar STW-financiering tegoed heeft, gaat hij nog even door met de ontwikkeling van MTOFT. ,,Ik wil met name mijn kennis over golfgedrag verder uitbouwen. De golfvormen bevatten namelijk ook veel informatie, en daar heb ik eigenlijk nog niets mee gedaan. En ik wil de techniek natuurlijk ook bruikbaar maken voor de inspectie van beton.”

Bakker, van oorsprong elektrotechnicus en in een vorig leven radio- en tv-reparateur, vond zijn vierjarige flirt met de constructieleer in elk geval ‘heel interessant’. ,,Als elektrotechnicus weet je toch weinig van mechanica, laat staan van golfverschijnselen in staalplaten. Toen ik mijn eerste meetdata zag, dacht ik nog: wat een troep, hoe kan ik daar ooit wijs uit worden? Maar als je die informatie geleidelijk leert interpreteren, geeft dat wel een kick. Dan heb je toch het gevoel dat je de boel hebt kunnen manipuleren.”

Het opsporen van scheurtjes in bruggen, opslagtanks en pijpleidingen is een lastige klus. Met een elektronische echoput probeert dr.ir. Maarten Bakker onder de huid van het plaatstaal te kijken.

In Nederland staan ontelbare stalen bruggen, die geregeld op defecten gecontroleerd worden. Niet dat een barst nu gelijk reden voor paniek is. ,,Een scheur van een paar millimeter hoeft geen enkel probleem te zijn”, stelt dr.ir. Maarten Bakker van de sectie constructiemechanica van Civiele Techniek (CT). ,,Je moet je pas zorgen gaan maken als een scheur groeit. Maar er zijn legio bruggen waar al jaren een flinke scheur inzit, zonder dat het enig gevaar oplevert. Een scheur kan tenslotte ook een natuurlijke ontlasting zijn voor krimpspanningen in het materiaal.”

Maar toch: scheuren horen niet. Inspecteurs klauteren daarom meerdere malen per jaar in de vakwerkconstructies om naar verdachte kraaienpootjes in de staalhuid te speuren. Veelal moeizaam handwerk, waarbij de kwast niet gespaard wordt. ,,Scheurtjes worden vaak opgespoord met penetrating dye. Een felgekleurd goedje dat, zoals de naam al zegt, diep in barstjes doordringt. Daarna wordt het oppervlak schoongeveegd en hopelijk zie je de scheurtjes dan zo zitten.”

Al met al een bewerkelijke operatie waarbij de verdachte brugdelen centimeter voor centimeter moeten worden afgekwast. Ook aan meer geavanceerde speurmethoden kleven nadelen. Bakker: ,,Röntgenstraling geeft bijvoorbeeld geen diepte-informatie. Je kunt aan de foto niet zien aan welke kant de scheur zit. Verder zit je natuurlijk met de straling, waarvoor je ook weer extra veiligheidsmaatregelen moet treffen. Andere elektromagnetische methodieken zijn vooral geschikt voor oppervlakte-inspectie en dun plaatwerk, zoals bij vliegtuigen. Bruggen worden geconstrueerd van staalplaten met oplopend tot tientallen millimeters.”

Verder delen al deze methoden een behoorlijk manco: ze werken alleen plaatselijk. Röntgenstralen of magnetische wervelstormpjes werken weliswaar aanzienlijk sneller dan de verfpot, maar de brug moet nog steeds stukje bij beetje worden afgewerkt.

Belletjes

Bakker promoveerde onlangs op een nieuwe methode voor non-destructieve materiaalinspectie, een project dat nog twee jaar doorloopt en deels wordt betaald uit STW-potjes. Tijdens zijn onderzoek ontdekte hij dat de scheurspeurders nieuwerwetse inspectietechnieken mijden. Hij weet nu ook waarom. Ook in de wereld van de materiaalcontroleur geldt: onbekend maakt onbemind.

,,Ik begon mijn onderzoek met het in kaart brengen van de wetenschappelijke inspectiemethodes. Toen ontdekte ik dat ze in de praktijk totaal niet worden gebruikt. De technieken blijken meer te worden ontwikkeld uit academische nieuwsgierigheid, en er is ergweinig aandacht voor de robuustheid van het systeem of het gebruiksgemak. De methodes sluiten daarom niet aan bij de kennis van de gebruikers, en die hebben daarom geen animo om ze te gebruiken.”

Een deel van Bakkers STW-commissie, waaronder Rijkwaterstaat, Hoogovens en Shell, was juist zeer geïnteresseerd in een praktisch inspectiesysteem. ,,Hoogovens gebruikt onder meer röntgenapparatuur om de kwaliteit van productiestaal te controleren. Daarmee kun je wel zien of er insluitsels of belletjes in het materiaal zitten, maar niet altijd waar ze zich bevinden of hoe groot ze zijn.”

Trillingspulsjes

Bakker ging op zoek naar een techniek die wel diepte-informatie geeft, niet beperkt is tot één klein gebied, en bovendien goed aansluit bij de gebruikspraktijk. ,,Daarmee kun je het toepassingsbereik van zo’n methode enorm vergroten. Je kunt dan denken aan de inspectie van offshore platforms en opslagtanks in de petrochemische industrie.”

Zo kwam hij uiteindelijk uit op de time-of-flight-defraction-methode (TOFD), een sonar-achtige techniek die werkt met trillingspulsjes. ,,Je kunt je het zo voorstellen”, legt Bakker uit. ,,Je geeft een klap op de staalplaat en meet hoelang het duurt voordat de echo ervan terugkomt. Als er een onverwachte echo terugkeert, komt dat dus door een obstakel, een scheur bijvoorbeeld. Op die manier kun je defecten in de staalplaat vinden en hun grootte bepalen.”

De onderzoeker ging nog een stap verder en gebruikte een bundel trillingen, een aanpak die hij multipath-time-of-flight (MTOFT) heeft gedoopt. Het klokken van de aankomsttijden blijkt hierbij voldoende om diep in de staalplaat te kunnen kijken.

Bakker wekt de pulsen op met een transducer, een elektronische trillingsbron die op de staalplaat wordt geplakt en schokgolfjes opwekt met een frequentie van rond de vijf megahertz. ,,In principe wil je een zo hoog mogelijke frequentie gebruiken, want doordoor is je resolutie ook beter. Maar hogere frequenties worden eerder verstrooid en dat zorgt voor extra meetruis. De golflengte is ook afhankelijk van het materiaal dat je wilt bekijken: constructiestaal is fantastisch homogeen, maar beton bevat allerlei steentjes en rommel van pakweg een kubieke millimeter of zelfs nog groter. In het algemeen heb je een golflengte nodig die groter is dan de normale insluitsels.”

Mosselen

Omdat er weinig bekend is over de ins and outs van de transducers, moest de promovendus eerst uitvogelen hoe deze zich gedragen. Daarna stelde hij een model op dat beschrijft hoe een bundel golven zich in de staalplaat gedraagt, en schreef hij een computerprogramma dat de meetdata direct vertaalt in een zwart-witplaatje. ,,Je kunt zo meteen zien hoe breed en diep een scheur is, en wat de afstand tot je trillingsbron is. Op dit moment lukt dat tot zeventig centimeter afstand, maar als je het systeem verder verfijnt moet je wel tot een meter kunnen komen.”

Alleen dikke, bladderende verflagen kunnen nog stokken in de wielen steken. ,,Een dunne coating hoeft geen probleem te zijn, maar bij een dikke laag gaat teveel trillingsenergie verloren. En die lagen mosselen op de poten van boorplatforms is helemaal dikke ellende. Bij bruggen worden gelukkig zelden dikke verflagen gebruikt.”

Omdat Bakker nog een paar jaar STW-financiering tegoed heeft, gaat hij nog even door met de ontwikkeling van MTOFT. ,,Ik wil met name mijn kennis over golfgedrag verder uitbouwen. De golfvormen bevatten namelijk ook veel informatie, en daar heb ik eigenlijk nog niets mee gedaan. En ik wil de techniek natuurlijk ook bruikbaar maken voor de inspectie van beton.”

Bakker, van oorsprong elektrotechnicus en in een vorig leven radio- en tv-reparateur, vond zijn vierjarige flirt met de constructieleer in elk geval ‘heel interessant’. ,,Als elektrotechnicus weet je toch weinig van mechanica, laat staan van golfverschijnselen in staalplaten. Toen ik mijn eerste meetdata zag, dacht ik nog: wat een troep, hoe kan ik daar ooit wijs uit worden? Maar als je die informatie geleidelijk leert interpreteren, geeft dat wel een kick. Dan heb je toch het gevoel dat je de boel hebt kunnen manipuleren.”