Możliwości badań konstrukcji spawanych metodą prądów wirowych ET

 

Badania nieniszczące (Non Destructive Testing) to zbiór metod weryfikacji zgodności wyrobu lub konstrukcji zgodnie z założeniami wytrzymałościowymi, które przekładają się na bezpieczeństwo samego człowieka  i  stosowanej przez niego techniki. Ranga metod badań nieniszczących stosowanych w praktyce nabiera ostatnimi laty coraz większego znaczenia, co jest spowodowane uświadomieniem producentów o konieczności monitoringu bezpieczeństwa eksploatacji coraz bardziej wyrafinowanych technicznie konstrukcji oraz równoległym rozwojem poszczególnych metod, w tym badań prądami wirowymi ET.
Metoda ET opiera swoje podstawy fizyczne na prawie indukcji elekromagnetycznej wraz z regułą Lenz’a. Założeniem podstawowym jest przewodność elektryczna materiału badanego.
W uproszczeniu, celem łatwiejszego zrozumienia metody, można ją porównać do zasady działania transformatora. Opiera się ona na indukcji wzajemnej dwóch cewek nawiniętych na rdzeń transformatorowy. Rolę uzwojenia pierwotnego pełni cewka wzbudzająca sondy ET. Rolę uzwojenia wtórnego pełni materiał badany, który jest monolitem. Płynie w nim prąd zwarcia w kierunku najbardziej dogodnym – po okręgu. Jest to prąd wirowy płynący w materiale badanym. Wytwarza on również własne pole magnetyczne, które jest zawsze przeciwnie skierowane do pola cewki wzbudzającej sondy. Jeżeli płynący prąd wirowy trafi na przeszkodę, np. w postaci nieciągłości lub obszaru o gorszej przewodności (obszar o innej strukturze), wówczas mamy do czynienia z osłabieniem przepływu, a więc i ze słabszym polem magnetycznym odpowiedzi skierowanym przeciwnie. W ten sposób układ zauważa pewną różnicę w stosunku do „zdrowego” materiału próbki odniesienia. Powstaje stan ustalony w postaci napięcia wypadkowego na cewce wzbudzającej sondy. Można również śledzić „odpowiedź” całego układu w odrębnej cewce pomiarowej sondy.
W zależności od zastosowanego układu cewek w sondzie spotyka się różne warianty podłączeniowe i konstrukcyjne. Istota wykorzystania opisanej w skrócie fizyki do wykrywania nieciągłości polega na „nauczeniu” systemu, jak wygląda sygnał pochodzący od nieciągłości. Porównuje się „odpowiedź” z próbki odniesienia posiadającej zdefiniowaną nieciągłość sztuczną lub naturalną, z obiektem rzeczywistym.
 

Metoda ET – zasada badania, wykorzystanie indukcji elektromagnetyczne
 [źródło: Casp System Sp. z o.o.]
 
 
Podstawowe warunki brzegowe / założenia metody ET to:
 
  • przewodnictwo elektryczne badanego obiektu,
  • próbka odniesienia wykonana z materiału o tych samych co obiekt badania własnościach przewodnictwa elektrycznego i własnościach magnetycznych,
  • próbka odniesienia mająca tą samą geometrię co obszar badany na obiekcie,
  • spadek gęstości występowania prądów wirowych wraz ze wzrostem głębokości ich wnikania, a co za tym idzie wraz ze spadkiem częstotliwości wzbudzania sondy,
  • spadek czułości wykrywania nieciągłości wraz ze wzrostem głębokości wnikania.

 

Do istotnych zalet metody ET należą:
 
  • brak konieczności stosowania środka sprzęgającego pomiędzy sondą a powierzchnią,
  • badania w dużej mierze bezkontaktowe,
  • możliwość badania wadliwości powierzchni przez powłoki: warstwy galwanicznie lub farby antykorozyjne oraz badań produkcyjnych z dużymi prędkościami w przypadku rur, prętów, drutów – do 30 m/s,        
  • możliwość badania wadliwości obiektu, zmian struktury, zmian obróbki cieplnej, zmian twardości,
  • możliwość pomiaru grubości warstw, pomiaru wielkości ubytku korozyjnego, pomiaru przewodności elektrycznej właściwej, badań odchyłek kształtu.

 

Biorąc pod uwagę powyższe cechy, należy rozróżnić dwa obszary zastosowań metody ET:
 
  • badania zautomatyzowane na liniach produkcyjnych (rury bez szwu, rury ze szwem, pręty, kształtowniki, szyny, druty,blachy),
  • badania ręczne, diagnostyczne (części maszyn, elementy konstrukcyjne).

 

Zmiany i postać sygnału wiroprądowego są zależne w głównej mierze od zmian takich parametrów obiektu, jak: przewodność elektryczna właściwa, przenikalność magnetyczna, wadliwość materiałowa, geometria powierzchni badanej. Wszystkie powyższe parametry leżące po stronie obiektu badania mają wpływ na rozkład przepływu prądu wirowego. Chcąc śledzić zmiany jednego parametru, należy znać zachowanie się sygnału przy zmianie parametrów każdego z osobna. Filozofia badania sprowadza się do zastosowania właściwej próbki odniesienia i kalibracji systemu w taki sposób, aby dokonując nastaw podstawowych parametrów badania (częstotliwość wzbudzania sondy, wzmocnienie sygnału, faza, nastawy filtrów częstotliwości sygnału), wyodrębnić sygnał użyteczny. W przypadku badania wadliwości obiektu, sygnałem użytecznym jest sygnał od nieciągłości. Sygnałami zakłócającymi są sygnały pochodzące od zmian geometrii powierzchni, przewodności elektrycznej, przenikalności magnetycznej. Z kolei zmiany struktury materiału spowodowane np. obróbką cieplną są ściśle związane ze zmianami przewodności elektrycznej i przenikalności magnetycznej materiału badanego.
 
Badanie prądami wirowymi złączy spawanych ma bardziej złożony charakter. Podstawowym utrudnieniem jest geometria powierzchni samej spoiny. W przypadku powierzchni obrabianej mechanicznie, po spawaniu łukiem krytym, spawaniu zmechanizowanym TIG, spawaniu laserowym, geometria powierzchni nie zakłóca w istotny sposób sygnału wiroprądowego. Jeżeli mamy do dyspozycji surową powierzchnię spoiny wykonanej, np.: metodą 111, 135, 136, sytuacja jest trudniejsza. Trzeba też uwzględnić zmiany strukturalne pomiędzy spoiną a SWC, materiałem rodzimym a SWC. Praktyka pokazuje, że kluczową rolę we właściwej kalibracji systemu do badań ET odgrywa próbka odniesienia, uwzględniająca wpływ powyższych czynników na postać sygnału od wady. Kluczowym jest również właściwy dobór sondy. Obecnie do dyspozycji są specjalistyczne sondy do badań spoin, w których spróbowano wydzielić fazowo sygnał pochodzący od nieciągłości (pęknięcia, przyklejenia) od sygnału pochodzącego z geometrii powierzchni spoiny.

Ciekawym zastosowaniem metody ET w tym obszarze jest badanie konstrukcji ocynkowanych lub z pokryciem antykorozyjnym na okoliczność pęknięć materiału bazowego. Warstwy będące powierzchnią badania, ze względu na brak określonych własności magnetycznych i zazwyczaj znaczną grubość (średnio 100 – 300 µm), są przeszkodą w przeprowadzeniu badań MT lub PT. Metoda ET nie wymaga dodatkowych środków, takich jak zawiesina magnetyczna w MT lub system penetracyjny w PT. Miejsca szczególnie wytężone w konstrukcji mogą być sprawdzane w czasie jej eksploatacji poprzez warstwę ocynkowaną lub farbę antykorozyjną bez konieczności jej miejscowego usuwania.

Pęknięcie na konstrukcji ocynkowanej [źródło: SLV Halle GmbH]
 
 
Podsumowując powyżej omówione zagadnienia, można stwierdzić, że możliwości metody wynikają z ilości czynników, które mają wpływ na zachowanie się sygnału od prądów wirowych. Bardzo ważna jest umiejętność odseparowania sygnałów pochodzących w danym momencie od czynnika zakłócającego. Znajomość istotnych ograniczeń metody jest nie do przecenienia. Obszar badań ET złączy spawanych przedstawia się następująco:
 
  • możliwość badań pod kątem pęknięć powierzchniowych i leżących pod warstwą np. ocynkowaną lub farby,
  • metoda badania „czysta”, tzn. bez dodatkowych środków pomocniczych przy użyciu samej sondy,
  • możliwość sterowania wnikaniem prądów wirowych na daną głębokość, tzn. obszar badania nie jest ograniczony tylko do samej powierzchni, co czyni metodę ET w pewnym zakresie objętościową,
  • duży wpływ nierówności powierzchni na sygnał wiroprądowy; przy surowych powierzchniach lica spoiny, np. w metodzie 111 - badanie jest bardzo utrudnione (im gładsza powierzchnia złącza, tym mniej wskazań zakłócających pochodzących od geometrii),
  • zasadniczy wpływ próbki odniesienia z wadą wzorcową na możliwość badania; wymaga się jak najdokładniejszego odwzorowania rzeczywistych warunków badania na próbce odniesieniaw postaci wykonania jej z tego samego materiału, o tych samych własnościach magnetycznych i przewodnictwa elektrycznego oraz o tej samej geometrii powierzchni,
  • wymagany wysoki poziom kwalifikacji personelu, podparty prawidłowym oraz praktycznym szkoleniem wg EN 473 oraz stosowaniem dobrej praktyki badań.

 

Podejście do rozwiązania konkretnej problematyki badawczej (dobór techniki badania, kryteriów oceny) będzie zależne od powyższych punktów w powiązaniu z obowiązującymi normami i przepisami w obszarze badań ET.
 
 
mgr inż. Roman Gruca
uprawnienia NDT: ET3, RT3, UT3, MT3, PT3, VT3  wg EN 473
 
Kierownik Sekcji Certyfikacji Personelu Badań Nieniszczących
Jednostka Certyfikująca Personel NDT
TÜV Rheinland Industrie Service GmbH
przy TÜV Akademia Polska Sp. z o.o.

 

  

Komentarze

Krzysztof Jarzyna

2012-01-26 05:56

 Zdjęcie nieciągłości trochę "białe" wyszło, a tam na dole to nie ślad od jarzma?