APLIKACE BIAS SOND V PRAXI
Autoři, název společnosti: Jiří Boháč, INDETEC ndt, s.r.o. Ing. Jiří Štemberk, NDT servis s.r.o. Ing. Marie Boháčová, INDETEC ndt, s.r.o
Datum: V Chomutově, 1.11.2007
OBSAH Úvod ...................................................................................................................... 3 1. Magnetické látky
4
1.1 Feromagnetismus............................................................................................. 5 2. Technika magnetické saturace
5
2.1 Magnetizace využívající permanentního magnetu pro zkoušení feromagnetických trubek ....................................................................................... 5 3. Aplikace BIAS sondy v praxi
11
4. Závěr
12
Použitá literatura.................................................................................................... 12
Aplikace BIAS sond v praxi
Úvod Prvním známým magnetem objeveným člověkem byl magnetovec. Jeho vlastností využívali již starověký Řekové a Číňané, zpočátku jen pro zábavu až teprve později se magnetických vlastností tohoto minerálu začalo vyžívat pro praktické účely. Původ magnetických vlastností je třeba hledat v oblasti kvantové fyziky, u samotných atomů a elektronů. Elektrony mají dva momenty hybnosti a látky vznikající na základě velikostí těchto momentů se rozdělují do tří základních skupin, diamagnetické, paramagnetické a feromagnetické. Z hlediska magnetismu jsou pro oblast nedestruktivního zkoušení nejzajímavější právě feromagnetické látky. Mezi sondy, které dokáží kontrolovat stav takových feromagnetických látek, se nazývají sondy s předmagnetizací nebo-li BIAS sondy. Tyto snímače obsahují v těle permanentní magnet a cívku, které společně vytvářejí podmínky pro úspěšné nedestruktivní zkoušení feromagnetického materiálu pomocí vířivých proudů. Z hlediska aplikace sond v provozu nejsou tyto sondy rozšířené tak jako sondy fungující na principech vzdáleného pole vířivých proudů (RFEC) či magnetického rozptylového toku (MFL), ačkoliv jmenované metody jsou mnohem finančně náročnější než metoda předmagnetizace. Tato neoblíbenost je podnícena nepostačujícím fázovým posuvem signálu vířivých proudů jednotlivých vad nacházející se na vnitřním nebo vnějším povrchu kontrolovaného feromagnetického materiálu. Aby se této skutečnosti zamezilo byl odstartován vývoj BIAS sondy, u které bylo docíleno postačujícího fázového posuvu signálu mezi vnitřní a vnější vadou. Následující kapitoly se budou věnovat konstrukčnímu řešení a výsledným amplitudovým a fázovým závislostem.
3
Aplikace BIAS sond v praxi
1. Magnetické látky Nositelem magnetických vlastností jsou pohybující se elektricky nabité částice – elektrony, které podmiňují vznik magnetických látek. Každý elektron má vlastní, vnitřní moment hybnosti tzv. spinový moment hybnosti (spin) a orbitální (dráhový) magnetický dipólový moment. Vektorovým skládáním výslednic těchto dvou momentů jednotlivých elektronů atomu s výslednicemi momentů jednotlivých elektronů ostatních atomů vzniká makroskopické magnetické pole. Z hlediska magnetismu existují tři základní typy látek: diamagnetika, paramagnetika a feromagnetika. Diamagnetika vznikají umístěním látky do vnějšího magnetického pole, kde se indukují v atomech slabé magnetické dipólové momenty orientované proti směru vnějšího magnetického pole. Interakcí všech dipólů dochází ke vzniku pouze slabého magnetického pole, které zmizí po odstranění vnějšího magnetického pole. Paramagnetikem jsou nazývány látky, jejichž atomy mají nenulový moment hybnosti. Tyto momenty jsou náhodně orientovány, tudíž látka nevykazuje magnetické pole. Orientace momentů se dají částečně uspořádat s přiložením vnějšího pole a látka se stává magnetickou. Ovšem po odstranění vnějšího magnetického pole dochází k zániku vzniklého uspořádání magnetických dipólových momentů. U feromagnetik dochází k tzv. doménovému uspořádání. Doménami se rozumí makroskopické oblasti, v nichž jsou spinové momenty atomů spontánně paralélně orientovány. Vnější magnetické pole pak jednotlivé magnetické momenty doménových oblastí uspořádá a vznikne tak silné magnetické pole, které se částečně udrží i po odstranění vnějšího magnetického pole více viz. kap. 1.1.
Diamagnetikum
Paramagnetikum
Feromagnetikum
Typ látky
všechny látky
všechny látky s nenulovým momentem hybnosti
Fe, Co, Ni, Gd atd. a jejich sloučeniny a slitiny
Spinový moment hybnosti
vykompenzovaný
vykompenzovaný
nevykompenzovaný
Orbitální magnetický dipólový moment
vykompenzovaný
nevykompenzovaný
vykompenzovaný
Vliv nehomogenního pole
vytlačuje látku z pole ven
vtahuje látku do pole
vtahuje látku do pole
Tab.1. Přehled parametrů magnetických látek
4
Aplikace BIAS sond v praxi
1.1 Feromagnetismus Železo, kobalt, nikl, gadolinium atd. jejich sloučeniny a slitiny vykazují feromagnetismus v důsledku čistě kvantového jevu nazývaného výměnná interakce. Při tomto procesu dochází k vzájemnému ovlivňování spinových momentů jednotlivých atomů a výsledkem je jejich souhlasná orientace, která překonává negativní vlivy náhodných srážek v důsledku neuspořádaného tepelného pohybu atomů. K této výměnné interakci dochází při teplotě pod Curieovým bodem. Pokud by teplota vzrostla nad tento Curieův bod tedy nad kritickou hodnotu tzv. Curieovu teplotu, pak by došlo k výraznému nárůstu náhodných srážek sousedních atomů vlivem jejich tepleného pohybu a magnetizace látky se zmenší. Látka se tedy stane paramagnetickou. Curieova teplota pro železo je 1043 K.
2. Technika magnetické saturace Krystalová struktura železa se skládá ze seskupení malých krystalků, které jsou náhodně uspořádané a taková struktura se nazývá polykrystalická. Každý malý krystal má však své vlastní pole různě orientovaných magnetických domén. Tyto domény jsou makroskopické oblasti, v nichž jsou spinové momenty atomů spontánně paralelně orientovány. Pokud magnetizujeme takový materiál postupně narůstajícím magnetickým polem, pak dochází ke dvěma procesům: jednak se zvětšují ty domény, které jsou orientovány ve směru vnějšího pole na úkor ostatních, jednak se v rámci celé jedné domény přeorientují všechny dipóly jako celek do směru bližšího směru magnetického pole. Celý proces magnetické saturace materiálu lze jednoduše popsat magnetickou hysterezí. Pokud je magnetické saturace docíleno, pak se zkoušený materiál chová jako neferomagnetický tzn., že permeabilita materiálu je rovna jedné, a tudíž nemá již žádný vliv na citlivost vířivoproudé cívky.
2.1. Magnetizace využívající permanentního magnetu pro zkoušení feromagnetických trubek Pro návrh a vývoj BIAS sondy se vycházelo z poznatku dle [1], kde testovali účinek násobného stejnosměrného magnetického pole. Nutné magnetizační podmínky budou demonstrovány na následujícím příkladu a to na rekonstrukci zařízení, které je založeno na cívce s permanentním magnetem, která je umístěna před a za testovací cívkou.Jako zkoušený materiál byla použita železná bezešvá trubka s parametry: - vnější průměr 42,0 mm (1,6 in) - tloušťka stěny 2,5 mm (0,1 in) - délka trubky 3,5 m (11,5 ft) Následující podélné nespojitosti byly vytvořeny uměle: 1) díra skrz: - úbytek stěny 100 % ø 1,2 mm (0,05 in) - úbytek stěny 50 % ø 1,2 mm (0,05 in)
5
Aplikace BIAS sond v praxi
2) 3)
díra skrz: úbytek stěny 100 % ø 0,8 mm (0,03 in) úbytek stěny 50 % ø 0,8 mm (0,03 in) trhliny s hloubkou 0,5 mm (0,02 in): s šířkou: 0,1 ; 0,2 ; 0,4 a 0,8 mm s délkou: 50 mm a 7,7 mm
Zkoušení bylo prováděno spolu s magnetizačním magnetem a diferenciálními cívkami o průměru 4,7 mm při frekvencích 10 kHz a 90 kHz. Magnetizační pole pro vnější a vnitřní stěnu trubky bylo změřeno na zkušební ploše s přesností ±10 %. V nejslabší intenzitě pole (pod 40 kA/m) je pozorován pouze silný rušivý signál viz obr. 2.1. Start byl přibližně na hodnotě 100 mA, odpovídající hodnotě 21 kA/m intenzity magnetického pole. Díry byly rozpoznány s velmi malou amplitudou signálu. Se zvyšováním intenzity pole se signál zesílil a hodnota intenzity pole vzrostla na 52 kA/m. Obrázky 2.1 a 2.2 zobrazují amplitudy spojitých signálů jako funkci intenzity pole. Na obr. 2.1 jsou porovnány signály vrtaných děr se stupněm šumu. Pro všechny rozměry vrtaných děr je přibližná maximální hodnota pole 40 kA/m a čistá hodnota minima je přibližně 50 kA/m. Intenzita může dodatečně vzrůst s relativním maximem amplitudy signálu přibližně z hodnoty 55 kA/m až na hodnotu 65 kA/m a to za předpokladu, že dojde ke snížení signálu a tím ke zvýšení intenzity pole vlivem stejnosměrného pole.
Obr. 2.1 Grafické znázornění závislosti amplitudy signálu na intenzitě magnetického pole pro indikace z děr v bezešvé železné trubce [1]
Silná úroveň šumu při nízkých intenzitách pole se stabilně snižuje se zvyšováním intenzity pole. Trhliny dlouhé 50 mm jsou pozorovatelné pouze při vyšších hodnotách intenzity magnetického pole, které jsou vyšší než 65 kA/m. Bez ohledu na šířku vad, naměřené hodnoty jsou si velmi blízké viz obr. 2.2. Se zvyšováním intenzity pole se amplituda širších trhlin zvyšovala rychleji než u užších trhlin. Hodnoty pole se pohybovaly nad hodnotou 120 kA/m. Pokud se porovnají delší trhliny a kratší trhliny, tak kratší trhliny jsou vždy identifikovány s menší amplitudou. Zachování amplitudy signálu pro uměle vyrobené nespojitosti při malé intenzitě pole lze vysvětlit pomocí demagnetizačního efektu na 6
Aplikace BIAS sond v praxi
konce nespojitostí, které jsou kolmé na směr stejnosměrného pole. Totiž při určité intenzitě pole lze vytvořit zónu, kde v oblasti konce nespojitosti dochází ke zvyšování permeability. Tato zóna je vyšší než již silně zmagnetizovaný základní materiál a tudíž může deformovat magnetické pole vytvořené vířivými proudy. Tímto lze vysvětlit první indikované maximum. Se zvyšováním intenzity magnetického pole se snižuje rozdíl mezi oblastí permeability na konci nespojitostí a základním materiálem. Opět dochází k ovlivnění dlouhých nespojitostí vířivými proudy, což způsobí formování signálu.
Obr. 2.2 Grafická závislost amplitudy signálu na intenzitě magnetického pole pro indikace z (zleva) dlouhých trhlin v bezešvé železné trubce a z krátkých trhlin v bezešvé železné trubce [1]
Z naměřených hodnot a grafů lze zcela jistě vypozorovat, že odstup signálu z jednotlivých vad od šumu je zcela evidentní. Avšak autoři neřeší fázový posuv signálu mezi vadami na vnitřní a vnější stěně trubky, což při vyhodnocování stavu materiálu je velmi důležitý. Společnost INDETEC ndt se touto problematikou zabývá a při jejím vývoji BIAS sondy se sledovali nejen magnetické a elektrické parametry, ale i mechanické. Právě u mechanických parametrů došlo k zajímavým poznatkům z hlediska umístění permanentního magnetu. Umístěním magnetu před a za cívku bylo dosaženo právě takových hodnot viz. obr. 2.1 a 2.2. Co se ale stane pokud umístíme magnet do jiné polohy? Výsledky tohoto experimentu jsou více nežli dobré. Na obrázcích 2.5 až 2.18 jsou zaznamenány fázové a amplitudové charakteristiky. Vyvinutá BIAS sonda viz obr. 2.3 má následující parametry: - vnější průměr ø 43 mm, délka těla sondy 220 mm - pouzdro z austenitické oceli (nemagnetické) - diferenciální stíněný senzor - frekvenční rozsah: 1 kHz – 5 kHz pro Fe materiály 10 kHz – 100 kHz pro duplexní materiály Jako vadový etalon byla použit etalon z Fe oceli tř. 11, jehož nákres je zobrazen na obr. 2.4. Kalibrační etalon obsahuje 5 umělých defektů viz. tab. 2., které v praxi reprezentují reálné druhy nespojitostí.
7
Aplikace BIAS sond v praxi
Označení
Název vady
A
vnitřní zápich hloubka 40 % stěny
B
vnější zápich hloubka 20 % stěny
C
vnější zápich hloubka 60 % stěny
D
díra skrz hloubka 100 % stěny
E
plochý vývrt hloubka 50 % stěny
Tab. 2 Přehled umělých vad na kalibračním etalonu
Obr. 2.3 Reálné zobrazení a nákres BIAS sondy
8
Aplikace BIAS sond v praxi
Obr. 2.4 Nákres kalibračního etalonu
Obr.2.5 XY fázové zobrazení etalonové vady E plochý vývrt, parametry měření 16 kHz, 50 dB, LP300 Hz
Obr.2.6 Amplitudové zobrazení Y/t vady E
Obr.2.7 XY fázové zobrazení etalonové vady D díra skrz, průměr 2 mm, parametry měření 16 kHz, 50 dB
Obr.2.8 Amplitudové zobrazení Y/t vady D
9
Aplikace BIAS sond v praxi
Obr.2.9 XY fázové zobrazení etalonové vady C vnější plochý zápich, parametry měření 16 kHz, 24dB, LP300 Hz
Obr.2.10 Amplitudové zobrazení Y/t vady C
Obr.2.11 XY fázové zobrazení etalonové vady B vnější plochý zápich, parametry měření 20 kHz, 30 dB, LP300 Hz
Obr.2.12 Amplitudové zobrazení Y/t vady B
Obr.2.13 XY fázové zobrazení etalonové vady A vnitřní úzký zápich, parametry měření 20 kHz, 30 dB, LP300 Hz
Obr.2.14 Amplitudové zobrazení Y/t vady A
10
Aplikace BIAS sond v praxi
Obr.2.15 XY fázové zobrazení etalonové vady A vnitřní úzký zápich a vady B vnější plochý zápich, parametry měření 20kHz, 30 dB, LP50 Hz
Obr.2.16 Amplitudové zobrazení Y/t vady A a vady B
Obr.2.17 XY fázové zobrazení etalonové vady A vnitřní úzký zápich, vady B vnější plochý zápich a vady C vnější plochý zápich, parametry měření 20 kHz, 30 dB, LP50 Hz
Obr.2.18 Amplitudové zobrazení Y/t vad zprava A, B, C, D, E
Z naměřených charakteristik je patrný výrazný fázový posuv signálu mezi vadami na vnějším a vnitřním povrchu trubky. Na obr. 2. 18 je zobrazen amplitudový signál jednotlivých umělých vad v celé délce etalonu s výrazným odstupem signálu od základního šumu.
3. Aplikace BIAS sondy v praxi BIAS sonda byla vyzkoušena v praxi pro kontrolu stavu trubek, které jsou pevně zabudovány v plášti plamence plynového kotle (obr. 2.19), z hlediska možného materiálového poškození s ohledem na jejich dlouhodobý provoz. Kontrola byla především zaměřena na zjištění korozního poškození trubek na vnějším a vnitřním povrchu nebo jiné materiálové defekty jako jsou únavové trhliny. Technické údaje kontrolovaných trubek jsou následující: Typ výměníku: přímý Materiál: ocel 11353.1 Rozměr: ø 51 mm x 2,5 mm Délka: 3565 mm Počet: 239 ks Kontrola byla provedena společností NDT servis s.r.o. a její hodnocení je následující: Defektoskopická kontrola pro zjištění aktuálního stavu trubek plamence plynového kotle byla provedena vůbec poprvé po zhruba 27 letech provozu. 11
Aplikace BIAS sond v praxi
Na třinácti kusech byly nalezeny indikace od vad v kategorii 31 ÷ 50 % zeslabení stěny. Jedná se o plošné korozní vady (typu korozní ostrůvky, nebo korozní důlky) na vnitřním i vnějším povrchu. Jedna trubka č. 12/2 D má vnější korozní poškození v intervalu 51 ÷ 70 % zeslabení. Jedna trubka č. 10/2B je s velkou pravděpodobností perforována (100 % zeslabení). Většina trubek byla vyhodnocena v intervalu do 30 % zeslabení stěny, tzn. nezávažné poškození. Celkově byl stav trubek plamence tohoto kotle BK6 vyhodnocen jako dobrý. Musíme ocenit vysokou kvalitu BIAS sondy, která má nesrovnatelnou citlivost oproti sondám používaných při metodě MFL pro kontrolu feromagnetických trubek.
Obr. 2.19 Pohled na trubkovnici na straně hořáku kotle BK6
4. Závěr První experimentální praktické zkoušky ukázaly, že od určité velikosti cca ø 30 mm (odhad) bude možné tyto BIAS sondy aplikovat při kontrolách feromagnetických materiálů, kdy už bude možné jednoznačně rozlišit jednotlivé vady nacházející se na vnitřním či vnějším povrchu materiálu. Při laboratorních i praktických zkouškách sonda dosahuje velmi dobrých výsledků za předpokladu, že měřené zařízení je dobře připraveno a zbaveno korozních nánosů či jiných zoxidovaných vrstev. Tyto vrstvy způsobují velmi výrazné ovlivnění signálu, což se projeví nárůstem šumu, popř. falešnými indikacemi. Vzhledem k velmi uspokojivým prvním výsledkům, společnost INDETEC ndt bude nadále pokračovat ve vývoji a praktických zkouškách a určení optimálních magnetických, elektrických a mechanických parametrů těchto magneticky sycených sond.
Použitá literatura [1] McMaster, R. – McIntire, P. – Mester, M.L.: Nondestructive Testing Handbook. 2. vyd. U.S.A. 1986. 677s. ISBN 0-931403-01-4 [2] Halliday, D. – Resnick, R. – Walker, J.: Fyzika část 3 Elektřina a magnetismus. 1. vyd. Brno. VUTIUM 2000. 888s. ISBN 80-214-1868-0
12
