CROSSInspect: Escáner de ultrasonidos para la inspección interna y el mantenimiento del corazón de los desvíos ferroviarios
Antonio Puyol Gómez
Airtren S.L.
INTRODUCCIÓN
La infraestructura ferroviaria utiliza piezas de acero al manganeso para endurecer los puntos críticos de los desvíos o cruzamientos donde hay un gran un impacto en la seguridad. Las propiedades asociadas a este material (grano grueso, anisotrópico y no homogéneo) en conjunción con la normativa de seguridad y salud en vía, condicionan las técnicas NDT de evaluación de la integridad estructural de la pieza, que actualmente están limitadas a inspecciones visuales o con líquidos penetrantes.
Los métodos superficiales actuales no permiten garantizar in situ la integridad estructural de estos componentes críticos. En consecuencia, estas piezas pueden quedar “no aptos para el servicio” lo que supone un riesgo para las circulaciones y incremento de los costes de su ciclo de vida. Además, ello obliga a los operadores ferroviarios a imponer importantes restricciones de velocidad que originan retrasos.
OBJETIVO DEL PROYECTO
El objetivo de CROSSInspect es la de aportar una solución asequible y fiable de inspección mediante ultrasonidos de las piezas de acero al manganeso de los desvíos y cruzamientos que se utilizan en los ferrocarriles europeos. Se ha conseguido una solución de inspección con técnicas no destructivas (NDT) que facilitan la detección temprana de defectos y grietas en esos aparatos de vía críticos para la seguridad.
Dentro del proyecto, se ha desarrollado un novedoso transductor capaz de emplear la técnica de inspección de enfoque de apertura sintética (SAFT). Este sensor escanea realizando la adquisición de datos para su procesamiento posterior que generará imágenes 2D y 3D de la sección volumétrica analizada para informar al usuario de posibles defectos. La detección temprana de defectos (grietas) permite la monitorización y evaluación de la integridad estructural del elemento, lo que se traduce en restricciones de velocidad menos estrictas, mayor vida útil de los activos y mejora de los niveles de seguridad y fiabilidad de la vía.
La aplicación de los resultados del proyecto incrementará la confianza de la industria en las NDT gracias a la mejora del nivel de calidad en la identificación, clasificación y dimensionamiento de defectos comparado con las técnicas existentes. La automatización del procedimiento aumentará la eficiencia, reduciendo los errores de escaneo debido a métodos manuales. Además, se reducirán los operarios necesarios y la presencia de éstos en entornos potencialmente peligrosos. En consecuencia, los trabajadores de mantenimiento disfrutarán de mejores condiciones laborales, en entornos más seguros y saludables.
VENTAJAS DE CROSSINSPECT
CROSSInspect es la única solución de concentración ultrasónica para la inspección volumétrica completa de los cruzamientos de acero al manganeso, ya que emite y recibe el ultrasonido con una SNR (relación señal / ruido) extremadamente alta, 3dB más alta que las actuales técnicas ultrasónicas. Además, el software CROSSInspect permite que los datos de inspección adquiridos se comparen con datos históricos para evaluar la propagación de grietas a lo largo del tiempo. La capacidad de monitorizar la propagación de las grietas a lo largo del tiempo permite evaluaciones más precisas e informadas de la aptitud para el servicio, lo que reduce los costes de ciclo de vida del producto y mejora la seguridad para el ferrocarril y sus pasajeros.
Los procesos de inspección que con las tecnologías actuales tardan 30 horas en completarse, con CROSSInspect terminan en menos de 5 horas, in situ y reduciendo el coste de personal asociado. Además de esto, con nuestra solución eliminaremos el coste innecesario de reemplazar cruzamientos que no estén dañados; esto significa un ahorro en el mantenimiento de la infraestructura de alrededor de 1,89M€ al año (explicado en la Sección 2). Además, nuestro sistema automatizado incrementará la eficiencia y reducirá los errores de escaneo asociados a los métodos manuales, así como ofrecer a los trabajadores de END unas condiciones de trabajo más seguras, saludables y mejores en las actividades de inspección y mantenimiento relacionadas con la Industria Europea.
Como consecuencia, CROSSInspect tendrá un gran impacto en:
- En la economía de los operadores ferroviarios y de los gestores de infraestructuras: Se beneficiarán de evitar la sustitución innecesaria de cruzamientos en buen estado que actualmente están siendo reemplazados como mantenimiento preventivo, ahorrando 1,89M€ al año a los operadores ferroviarios. CROSSInspect detectará defectos de fabricación en los cruzamientos, lo que significa ahorro para los operadores ferroviarios, como se muestra en la Tabla 2, que tabula los ahorros potenciales realizados en tiempo reducido, frecuencia y coste de la inspección. Se logran considerables ahorros con el despliegue completo. Esta estimación no considera los beneficios de revelar defectos ocultos y potencialmente peligrosos invisibles a una inspección visual, ni refleja el beneficio de una menor interrupción de la red, una inspección más rápida y una mayor seguridad del equipo de inspección.
- En la seguridad ferroviaria de la UE: Según el informe publicado en 2014 por la Agencia Ferroviaria Europea (ERA) “Railway Safety Performance in the European Union”, no ha habido progreso en la reducción del número de accidentes de bastantes tipos. El número de colisiones ferroviarias, descarrilamientos e incendios en material rodante se ha estancado durante los últimos años. CROSSInspect es una herramienta diseñada para detectar fallos internos en cruzamientos, por tanto, para evitar accidentes. (Véase la carta de interés de la Autoridad de Seguridad Ferroviaria Española en la sección 4).
- En la sociedad: CROSSInspect impactará en la sociedad añadiendo seguridad y eficiencia en el transporte ferroviario mediante la reducción del retraso de trenes gracias a la reducción del tiempo requerido para la inspección de desvíos ferroviarios (85%), por el incremento de eficiencia (90%) de detección de defectos internos en los desvíos ferroviarios de acero al manganeso, y por evitar entre el 6-11% de los accidentes relacionados con el descarrilamiento causado por cruzamientos en mal estado.
- Impacto en el medioambiente: CROSSInspect reduce el coste de infraestructura extendiendo el ciclo de vida de los cruzamientos. Actualmente, los cruzamientos se sustituyen periódicamente sólo para asegurar una buena operación y evitar la formación de fallos internos, debido a que éstos no pueden ser detectados con una inspección visual.
CONCEPTO CROSSINSPECT
CROSSInspect es una plataforma tecnológica que permite por primera vez una inspección volumétrica completa del desvío ferroviario al manganeso debido a la penetración del ultrasonido. Con CROSSInspect se ha desarrollado e implementado una avanzada técnica de inspección por ultrasonido conocida como Técnica de Focalización de Apertura Sintética (SAFT), que combinada con algoritmos de procesamiento de señal ofrece una SNR mejorada que permite la inspección volumétrica completa de materiales con estructura gruesa como el manganeso.
Las inspecciones con CROSSInspect reducirán los accidentes causados por el descarrilamiento de trenes (6-11%). Además, se ahorrará el coste del equipo (el 10%) que es 90% más eficaz que las actuales técnicas limitadas a la superficie. Se ahorrará a los operadores ferroviarios 1,89 millones de euros al año por reemplazos innecesarios de cruzamientos en buen estado, 0,4 millones de euros por año por ensayos de los cruzamientos antes de la instalación y 87,5 millones de euros por multas causadas por los retrasos en los trenes. Se reducirá un 85% el tiempo de inspección y un 94% los costes laborales relacionados con la inspección de cruzamientos.
El sistema CROSSInspect está constituido por:
- Transductor de matriz anular envía y recibe el ultrasonido. Es capaz de lograr una alta precisión SNR, gracias al diseño de doble capa. Está fabricado con un material piezo-cerámico para la primera capa, el cual es un excelente transmisor de ultrasonido. Para la segunda capa, se ha elegido un material piezo-polimérico ya que es un receptor excepcional de ultrasonido. El transductor está montado en un escáner / manipulador novel que mueve el transductor y dirige el haz (de ultrasonido).
- El escáner/maniobrador está montado directamente sobre el cruzamiento usando accesorios con propósitos especiales, permitiendo un movimiento de escaneo completo independientemente de si el aparato se encuentra in situ o alojado dentro del depósito durante el pre-servicio. El software diseñado especialmente controla los movimientos del escáner y facilita el escaneo automático motorizado en la parte superior de la pieza. Una vez superado un determinado ángulo de inclinación, el software de control activa un cambio en la dirección de escaneo, que asegura que el transductor permanece acoplado a la parte superior de la superficie de la pieza.
- Software CROSSInspect. Nuestra innovadora técnica llamada Synthetic Aperture Focussing Technique (SAFT) reconstruye la lectura en cada punto de la pieza en una imagen 3D de alta resolución. La principal ventaja de nuestro software sobre el software de ultrasonido comercial existente es que el algoritmo de SAFT inherentemente reparte en proporción el ruido coherente que emana de materiales de grano grueso (como el manganeso). Se ha desarrollado una interfaz gráfica de usuario que permite un uso rápido y sencillo por parte del operador. El software SAFT también permite comparar los datos de inspección adquiridos con datos históricos que evalúan la evolución de las grietas a lo largo del tiempo.
TRATAMIENTO DE LOS DATOS DE INSPECCIÓN
CROSSInspect es una herramienta ultrasónica que, al emitir un impulso sónico, registra el tiempo transcurrido y la intensidad de cada rebote sonoro en el material o ecos. Estos ecos se generan ante cualquier cambio dentro de los materiales, por lo que la superficie, el fondo o cualquier imperfección del material generan un eco. Haciendo una serie de trazos sonoros a lo largo del material y registrando la posición y orientación donde se realiza, es posible identificar el estado de la parte interior del material de forma no invasiva.
Los resultados del escáner que utiliza CROSSInspect es un vector de datos con diferentes niveles de energía devueltos por el material para cada una de sus profundidades; estos se multiplican por el número de puntos que se han escaneado en la materia, creando una matriz.
Todos los puntos escaneados tienen una posición y un ángulo. En resumen, estos datos deben dimensionarse para crear una imagen en 3D de lo que hay dentro del material. Esto requiere un software de procesamiento de datos junto con una computadora que lo ejecute.
Este software ha sido diseñado con unos criterios fundamentales como son:
- Fácil importación de los resultados obtenidos en bruto del equipo de campo.
- Detección y eliminación de datos corruptos para que no se comprometa cada escaneo.
- Detección y autoconfiguración según un análisis preliminar del escaneo para obtener un análisis lo más detallado posible.
- Creación de un algoritmo especifico para intensificar las mínimas variaciones que se obtienen en el escaneo y facilitar la interpretación de resultados.
- Cuantificación de los resultados.
- Fácil visualización de los resultados, creando una interfaz 3D de fácil manejo y gran detalle.
- Disponibilidad de ayudas explicativas en el propio software
- Fácil configuración de la herramienta
BIG DATA
Además del equipo de campo, el equipo CROSSInspect dispone en la aplicación SW la posibilidad de almacenar y gestionar los resultados de cada inspección, comparándola con las inspecciones realizadas anteriormente en el mismo cruzamiento para ver su evolución y mejorar su mantenimiento.
Este BIG DATA es necesario por muchas razones:
- Gestión de análisis eficiente: no es necesario almacenar los archivos del escaneo una vez que se cargan en el Big Data
- Comparación rápida de diferentes análisis
- Tener toda la información necesaria para la toma de decisiones en un solo lugar
- Búsqueda de patrones en defectos en base a una serie de parámetros
- Mantenimiento preventivo
Se ha creado un portal donde se pueda fundamentar toda la información relativa a los cruces ferroviarios (desde normativa, inspecciones, costes, etc.).
Saber una sola inspección no tiene un valor extra, pero si hacemos un seguimiento de miles de ellas crearemos una tendencia y un KNOW-HOW muy interesante que podrá beneficiar a muchas empresas.
La aplicación Big Data se ha creado siguiendo una serie de pautas que se describen a continuación:
- Mediante el método de " brainstorming" se han decidido los datos que pueden influir en toda la toma de decisiones a lo largo de la vida del cruce. Estos parámetros son:
- Fechas de análisis y fecha instalación del cruce
- Ubicación
- Velocidades
- Frecuencias de paso de circulaciones
- Características del cruce
- Fijaciones
- Tipo y cantidad de transporte
- Fabricante
- Costos
- Condiciones climáticas
2. La creación del software se ha centrado en el uso mínimo de los recursos de almacenamiento. Por este motivo, se ha creado un sistema de forma modular que se carga y almacena a petición del usuario. Por esa razón, el software se ejecutará con fluidez independientemente del número de registros.
Los datos referentes a los análisis son los datos brutos, ya que almacenar todos los análisis supone demasiada capacidad de almacenamiento. Cada vez que desee ver un análisis existente, se volverá a procesar el análisis con los datos correspondientes.
3. Para agilizar el proceso de búsqueda de un cruce tenemos tres posibilidades:
- Mediante un desplegable en el que tenemos todas los cruces existentes
- Escribir el nombre completo del cruzamiento
- Escribir una referencia que clasifique los ID (línea, pistas, KP ...), de tal forma que se filtre en el desplegable todos los cruces que tengan esa referencia.
Una vez seleccionado el ID, aparecerá un desplegable con todos los análisis que se han generado en ese cruzamiento referenciados por su fecha.
4. Es posible que los usuarios de este Big Data quieran incluir en los cruces fotografías o documentos. Por lo tanto, es posible adjuntar tantas fotos y documentos como necesite en cualquier formato.
5. Las distintas administraciones dispondrán de sus propios sistemas de inventario de cruces. Por eso estamos trabajando para que sea posible subir toda esta información al BIG DATA. Toda esa información debe cargarse en un determinado formato y orden. Habrá varios sistemas de ayuda e incluso un archivo descargable como ejemplo.
Además, para facilitar cualquier cambio de dispositivo o una copia de seguridad local, se puede realizar una exportación masiva que se realizará en el mismo formato que la importación.
Estas importaciones y exportaciones masivas se pueden realizar con todos los datos incluidos en el BIG DATA, así como análisis, fotos y documentos.
6. Posibilidad de Backup. Esta es una función mediante la cual, a través de nuestro servidor, podemos almacenar los datos existentes en BIG DATA como respaldo.
De esta forma, si se produce algún tipo de incidencia, la información almacenada se puede recuperar, a excepción de fotos y documentos por su mayor tamaño.
Además, a través de este sistema puede configurar los parámetros del software o actualizar los datos meteorológicos.
Este dispositivo CROSSInspect ha sido propuesto en la consulta preliminar de mercado del Reto de Auscultación de puentes, viaductos y aparatos de desvío lanzado por ADIF y el CDTI.
