การวัดการสึกหรอโดยใช้เทคโนโลยีการตามรอยสารรังสี

เป็นเวลา 50 ปีแล้ว ที่มีการใช้เทคนิคการตามรอยสารรังสี (radioactive tracer techniques) ที่ Southwest Research Institute (SwRI) ในการวัดการสึกหรอของเครื่องยนต์ที่กำลังทำงานอยู่แบบ real-time ซึ่งมีความไวและความแม่นยำสูง ความสามารถเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากการใช้งานอย่างหนักและสภาวะแวดล้อม กำหนดให้เครื่องยนต์สมรรถนะสูงในทุกวันนี้ ต้องมีประสิทธิภาพสูง ขณะเดียวกันก็ต้องมีระดับการปล่อยก๊าซเสียออกมาต่ำ ซึ่งขึ้นกับความทนทานในการใช้งานและมีการสึกหรอน้อยที่สุด
 
  ข้อดีของการใช้น้ำมันที่มีสารตามรอยกัมมันตรังสี คือ การให้ข้อมูลที่เชื่อถือได้ สามารถนำมาใช้วัดผลได้ในเวลาอันสั้น

จุดเด่นของเทคโนโลยีตามรอยสารกัมมันตรังสี

ในการใช้เครื่องมือที่ทันสมัย วิศวกรของ SwRI ได้ศึกษาการสึกหรอแบบ real-time ทำให้สามารถตรวจหาการสึกหรอและหาอัตราการเปลี่ยนแปลงการสึกหรอได้ทันที จุดเด่นของการวัดโดยใช้เทคนิคการตามรอยสารกัมมันตรังสี ได้แก่

  • ลดค่าใช้จ่ายในการทดสอบ
  • สามารถตรวจวัดซ้ำได้
  • ได้ข้อมูลการสึกหรอแบบ Real-time
  • ให้ผลการทดสอบที่มีความหมายมากในเวลาอันสั้น
  • สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงได้ง่าย
  • สามารถหาความสัมพันธ์ของสาเหตุและผลกระทบได้
  • สามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างการสึกหรอกับตัวแปรในการออกแบบ น้ำมันเชื้อเพลิง คุณสมบัติของน้ำมันหล่อลื่น และสภาวะการทำงานของเครื่องยนต์
    การวัดการสึกหรอ โดยดูจากปัจจัยของน้ำมันหล่อลื่น และการทำงานของเครื่องยนต์ โดยใช้เครื่องยนต์ทดสอบ ที่มีวงแหวนที่มีรังสีต่อกับเพลา

จุดประสงค์ของการใช้เทคโนโลยีสารตามรอยกัมมันตภาพรังสี

โดยทั่วไป ในการวัดการสึกหรอของชิ้นส่วนในเครื่องยนยต์แบบสันดาปภายใน มีการใช้เทคนิคสารตามรอยกัมมันตรังสี 2 แบบ

  • การทำให้เป็นสารกัมมันตรังสีทั้งชิ้น (Bulk activation)
  • การทำให้เป็นสารกัมมันตรังสีที่ผิวนอก (Surface- or thin-layer activation : SLA/TLA)
การเลือกใช้แต่ละวิธี จะขึ้นกับวัตถุประสงค์ในการทดสอบ ชนิดของโลหะของชิ้นส่วน และรูปร่างหรือตำแหน่งของชิ้นส่วน
 
 
 
ในการวัดการสึกหรอของเครื่องยนต์ขณะใช้งาน ชิ้นส่วนที่จะทดสอบจะถูกนำไปอาบรังสีนิวตรอน ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ในระหว่างการทดสอบ เนื้อวัสดุที่ถูกขัดสีหลุดออกมา จะถูกวัดซึ่งจะได้ผลออกมาเป็นไอโซโทปรังสีจำนวนเล็กน้อย

การอาบรังสีทั้งชิ้น (Bulk Activation)

ในการทดสอบโดยการอาบรังสีทั้งชิ้นนั้น ชิ้นส่วนจะถูกนำไปอาบรังสีนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัย และนำกลับมาติดตั้งในเครื่องยนต์ทดสอบ ในระหว่างที่เครื่องยนต์ทำงาน ชิ้นส่วนจะถูกเสียดสี ทำให้อนุภาคของชิ้นส่วนหลุดออกมา ซึ่งสามารถตรวจวัดได้ โดยการตามรอยนิวไคลด์รังสีที่อยู่ในน้ำมันหล่อลื่น หรือน้ำหล่อเย็น

เมื่อวัดรังสีจากอนุภาคเหล่านี้โดยใช้ระบบวัดรังสีแกมมา (gamma ray spectrometer) ซึ่งรังสีที่วัดได้จะเป็นสัดส่วนกับมวลของวัสดุที่สึกหรอออกมา ในของเหลวที่หมุนเวียนอยู่ นิวไคลด์รังสีที่สึกหรอออกมา สามารถวัดได้หลายนิวไคลด์ในเวลาเดียวกัน ทำให้สามารถตรวจสอบการสึกหรอของผิวหน้าหรือชิ้นส่วนได้หลายชิ้นพร้อมกัน ในการทดสอบครั้งเดียว

ทีมงานของหน่วยวิจัยระบบยานยนต์ของ SwRI ศึกษาผลของฝุ่นต่อการสึกหรอของเครื่องยนต์ โดยใช้การวัดขนาดของฝุ่นและการวิเคราะห์สารตามรอยกัมมันตรังสี
แผนภาพของ SwRI แสดงความสัมพันธ์ของการสึกหรอ ของเครื่องยนต์ใช้ก๊าซธรรมชาติ กับความเร็ว น้ำหนักบรรทุก อุณหภูมิน้ำหล่อเย็น และชนิดของน้ำมัน
การใช้เทคนิคสารตามรอยกัมมันตรังสีทั้งชิ้น SwRI สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงการสึกหรอของลูกสูบ ที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงความเร็ว และน้ำหนักบรรทุก
   
การทดสอบการสึกกร่อน ด้วยเทคนิคการตามรอยสารกัมมันตรังสี สามารถประยุกต์ใช้กับชิ้นส่วนโลหะทุกชิ้น ที่ทำให้เกิดนิวไคลด์รังสี เมื่ออาบด้วยรังสีนิวตรอน นอกจากชิ้นส่วนของเครื่องยนต์แล้ว ส่วนของเกียร์ที่ส่งกำลัง และปั๊มไฮดรอลิกส์ ก็สามารถทำได้เช่นกัน การใช้เทคนิคการอาบรังสีนิวตรอนที่พื้นผิว (surface-layer activation) ทำให้สามารถวัดการสึกกร่อน ของวงแหวนลูกสูบ ขณะที่ใช้งาน ซึ่งขึ้นกับการดูแลแนวของพื้นผิว ในเครื่องยนต์ดีเซล

การอาบรังสีนิวตรอนที่ผิวหน้าหรือเป็นชั้นบางๆ (Surface- or Thin-Layer Activation)

การใช้เทคนิค SLA/TLA โดยการยิงชิ้นส่วนเครื่องยนต์ ด้วยลำอนุภาคมีประจุพลังงานสูง เพื่อทำให้อะตอมของชั้นบางๆ ที่ผิวหน้าของชิ้นส่วนมีกัมมันตภาพรังสี การสึกกร่อนวัดได้โดย การตรวจสอบการลดลงของกัมมัตภาพรังสีของชิ้นส่วนนั้น หรือการเพิ่มขึ้นของกัมมันตภาพรังสีของตะกอนที่สะสมที่ไส้กรองของเหลว

ประสบการณ์ในการใช้เทคนิคตามรอยสารรังสี (Radioactive Tracer Experience)

การใช้เทคนิคการตามรอยสารกัมมันตรังสี ทำให้ลดค่าใช้จ่ายลง มีความแม่นยำ ให้ข้อมูลแบบ real-time สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของการสึกกร่อนได้ละเอียด โดยไม่ต้องถอดชิ้นส่วนออกมาตรวจ สามารถศึกษาการสึกกร่อนได้ ทั้งในสภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลงและสภาวะคงที่

โครงการที่ผ่านในการตรวจวัดโดยใช้สารติดตามกัมมันตรังสีของ SwRI ได้แก่

  • การวัดการสึกกร่อนของวงแหวนกระบอกสูบ ที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว น้ำหนักบรรทุก และอุณหภูมิของการใช้งาน ชนิดและคุณภาพของเชื้อเพลิงและน้ำมันหล่อลื่น รวมทั้งความสกปรกทั้งภายในและภายนอก
  • การวัดการสึกกร่อนของหัวฉีด ที่สัมพันธ์กับโลหะของชิ้นส่วน คุณภาพของเชื้อเพลิง และระดับของความสกปรก
  • ประเมินการสึกกร่อนของแนวกระบอกของเครื่องยนต์ดีเซล ที่สัมพันธ์กับการออกแบบกระบอกสูบ วัสดุ และน้ำมันเครื่อง
  • ตรวจสอบความไวในการสึกกร่อนของเครื่องยนต์ต่อ เชื้อเพลิง น้ำมันเครื่อง และระบบกรองอากาศ
  • วัดการสึกกร่อนของเครื่องยนต์ ที่สัมพันธ์กับความสกปรกของฝุ่น เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างการสึกกร่อน กับขนาดของฝุ่น และระดับของการกรอง
  • ศึกษาประสิทธิภาพของไส้กรอง และทดสอบกระบวนการกรอง โดยใช้ฝุ่นทดสอบที่ผ่านการอาบรังสีนิวตรอน
  • เปรียบเทียบการสึกกร่อนของชิ้นส่วนเครื่องยนต์ที่ใช้ก๊าซธรรมชาติกับน้ำมัน
 
ถอดความจาก Real-Time Wear Measurement Using Radioactive Tracer Technology
เวบไซต์ http://www.swri.org/4org/d03/vehsys/filtratn/wearmeas.htm