Dobór metody NDT do rodzaju materiału – uzasadnienie fizyczne

Ten sam rodzaj krytycznej niezgodności – np. zmęczeniowe pęknięcie krawędziowe – może wymagać zastosowania zupełnie innej metody z rodziny badań nieniszczących (NDT), w zależności od tego, z jakiego materiału wykonany jest uszkodzony element. W inżynierii materiałowej nie ma bowiem metod uniwersalnych.

W poniższym artykule kategoryzujemy dobór metody NDT według rodzaju materiału i wyjaśniamy procesy fizyczne, które decydują o tym, dlaczego dana metoda jest w danym przypadku niezastąpiona (lub wręcz całkowicie bezużyteczna).

(Jeśli wolisz podejście biznesowo-decyzyjne, bazujące na rodzaju niezgodności, etapie produkcji i budżecie, zapoznaj się z naszym przewodnikiem po doborze metody NDT).

1. Materiały ferromagnetyczne (stal węglowa i staliwo)

Stal węglowa oraz stale niskostopowe to jedyna grupa materiałów w przemyśle, która dzięki silnym właściwościom ferromagnetycznym pozwala na zastosowanie badań magnetyczno-proszkowych (MT). Metoda ta wykorzystuje pole magnetyczne sztucznie indukowane w detalu oraz cząsteczki proszku ferromagnetycznego, które precyzyjnie gromadzą się w miejscu lokalnego rozproszenia strumienia magnetycznego (czyli w miejscu nieciągłości).

To fizyczne uwarunkowanie działa w obie strony: badanie MT jest z reguły znacznie szybsze i tańsze niż badanie penetracyjne (PT) przy zachowaniu tej samej czułości, ale jednocześnie jest absolutnie bezużyteczne na materiałach niemagnetycznych (np. na aluminium).

Z kolei do weryfikacji objętościowej (niezgodności wewnętrznych) w tej grupie, inżynierowie najczęściej stosują badania ultradźwiękowe (UT). Jednorodna, niezwykle drobnoziarnista struktura stali walcowanej lub kutej doskonale przewodzi falę akustyczną, co gwarantuje świetną rozdzielczość i bezproblemową interpretację wyniku. Badania radiograficzne (RT) pozostają optymalnym wyborem głównie przy odlewach oraz złączach spawanych, gdzie inwestor wymaga fizycznego, obrazowego (radiogramu) dowodu na stan wewnętrzny materiału.

2. Materiały niemagnetyczne (aluminium, miedź, stal austenityczna)

Materiały z tej grupy wymuszają na inspektorach NDT zmianę podejścia z dwóch zupełnie niezależnych powodów:

Trudna struktura wewnętrzna: Silnie anizotropowa, wysoce gruboziarnista struktura (spotykana m.in. w spoinach stali nierdzewnej austenitycznej) stanowi barierę dla klasycznego badania UT falą poprzeczną. Fala akustyczna ulega silnemu skręceniu i drastycznemu rozproszeniu na granicach potężnych ziaren, co potrafi uniemożliwić rzetelną interpretację wskazań. Remedium stanowią dedykowane głowice pracujące na fali podłużnej (np. w zaawansowanym układzie podwójnym TRL), które fizycznie minimalizują wpływ anizotropii na sygnał echa.

Całkowity brak własności ferromagnetycznych: Oznacza to natychmiastowe wykluczenie taniej metody MT. Jedyną powszechnie stosowaną metodą weryfikacji pęknięć powierzchniowych (poza podstawowymi badaniami VT) pozostają badania penetracyjne (PT) oparte na zjawisku kapilarności.

3. Kompozyty strukturalne

Nowoczesne materiały kompozytowe (np. potężne laminaty w przemyśle lotniczym, automotive czy na łopatach farm wiatrowych) posiadają skomplikowaną budowę warstwową. Wpływa ona na mechanikę propagacji fali ultradźwiękowej zupełnie inaczej niż izotropowa struktura jednorodnego metalu.

Z tego powodu dobór parametrów badania UT (odpowiednio niższej częstotliwości, techniki nadawczo-odbiorczej) wymaga specjalistycznej wiedzy, a standardowe algorytmy przeliczające prędkość fali nie mają zastosowania wprost. Jednak właściwie skalibrowane UT (coraz częściej obrazowane w formie mapowania C-scan) radzi sobie fenomenalnie z detekcją rozwarstwień, czyli najgroźniejszej wady występującej w tej grupie tworzyw.

4. Cienkie elementy metalowe i blachy

Przy badaniu obiektów o bardzo niewielkiej grubości, klasyczna defektoskopia UT napotyka na twardą fizyczną barierę – zjawisko strefy martwej, zlokalizowanej tuż pod powierzchnią sprzężenia głowicy. W obszarze tym potencjalne echo od niezgodności całkowicie zlewa się z potężnym impulsem początkowym sprzętu (szerzej piszemy o tym w artykule o ograniczeniach badań UT).

Z tego względu w przypadku struktur cienkościennych działy kontroli jakości znacznie chętniej sięgają po PT oraz VT w celu poszukiwania uszkodzeń otwartych na powierzchnię, a metodę UT wdrażają wyłącznie z wykorzystaniem specjalistycznych, najczęściej dwuelementowych przetworników o wysokiej częstotliwości.

5. Przemysł odlewniczy (odlewy i odkuwki)

Radiografia (RT) doskonale i jednoznacznie obrazuje wewnętrzną, gazową porowatość oraz stałe wtrącenia niemetaliczne, które są wadami powszechnie nękającymi odlewy. Metoda ta narzuca jednak rygorystyczne wymogi w postaci wyznaczania stref bezpieczeństwa przed promieniowaniem jonizującym.

Dlatego znakomitą, a przy tym znacznie szybszą w realizacji na hali produkcyjnej alternatywą bywa UT. Trzeba jednak pamiętać, że napotyka ono naturalną barierę w postaci bardzo silnego tłumienia akustycznego przez niejednorodną, niezwykle gruboziarnistą strukturę materiału (jest to problematyczne zwłaszcza w ciężkich odlewach żeliwnych).

6. Rurociągi technologiczne i zbiorniki w izolacji

Infrastruktura petrochemiczna pracująca pod izolacją termiczną (tzw. zjawisko CUI – Corrosion Under Insulation) stawia przed inżynierami szczególne wyzwanie logistyczne: aby zbadać metal, należy zerwać izolację, co generuje potężne koszty.

Zamiast tego, w branży stosuje się z powodzeniem metody pracujące „przez” ocieplenie. Doskonałym rozwiązaniem jest tu radiografia tangensowa (profilowa) lub przez dwie ścianki, realizowana w oparciu o normy PN-EN ISO 20769-1 i -2. Technologia ta pozwala błyskawicznie ocenić ubytki grubości ścianki i poziom zaawansowania korozji bez demontażu blach osłonowych i, co kluczowe, bez wstrzymywania ruchu instalacji (technika on-stream). Szczegółowo omawiamy te zagadnienia w materiale poświęconym radiografii tangensowej.

Natomiast tam, gdzie technicy mają swobodny dostęp do rozległych, płaskich powierzchni metalowych (np. poszycia dużych zbiorników magazynowych), najbardziej optymalnym i najszybszym kosztowo rozwiązaniem pozostaje mapowanie korozji metodą PAUT.

Podsumowanie i kryteria inżynieryjne

Decyzja o wdrożeniu konkretnej metody do audytu danego materiału sprowadza się w praktyce NDT do odpowiedzi na cztery strategiczne pytania:

1. Czy metal posiada własności ferromagnetyczne (wybór MT vs PT)?
2. W jakim stopniu struktura jest jednorodna (fizyczny wpływ na zasięg i czułość UT)?
3. Jaka jest grubość i gabaryt elementu (kwestia strefy martwej oraz mobilności urządzeń RT)?
4. Czy istnieje swobodny dostęp obustronny i czy element pokrywa gruba izolacja techniczna (wymóg np. technologii on-stream)?

Zastanawiasz się, jaka metoda badawcza zabezpieczy optymalnie Twój produkt lub instalację? Skontaktuj się z naszym laboratorium. Zespół certyfikowanych inżynierów Ultrarent zweryfikuje Twoją dokumentację i zaproponuje technologię, która sprosta fizycznym wymogom materiału.