Badania ACFM® - skuteczna metoda do wykrywania pęknięć zmęczeniowych w materiałach
Badania ACFM® (Alternating Current Field Measurement) zalicza się do grupy metod elektromagnetycznych badań nieniszczących. Ich głównym zadaniem jest wykrywanie i określenie wymiarów (długości i głębokości) pęknięć zmęczeniowych w metalach.
Historia
Podstawy teoretyczne metody ACFM zostały stworzone na University College London w 1984 roku przez grupę naukowców, których celem było opracowanie metody badań elementów podwodnych dającej pewność otrzymania poprawnych wyników i zależnej tylko w niewielkim stopniu od operatora. Metoda ta miała być alternatywą dla już istniejącej metody ACPD (Alternating Current Potential Difference). We współpracy z takimi koncernami jak: BP, BG, Conoco oraz Shell, powstała metoda Pomiaru Pola Prądu Zmiennego – ACFM (Alternating Current Field Measurement), następnie rozpowszechniona przez firmę TSC. Pierwszy komercyjny system diagnostyczny do badań tą metodą został wyprodukowany w 1991 roku [2, 3].
Jeden z pierwszych systemów ACFM - AMIGO™.
Zasada działania
Metoda ACFM polega na wprowadzeniu do materiału przewodzącego (metalu) pola magnetycznego. Odbywa się to wskutek przepływu prądu zmiennego przez cewkę nadawczą, znajdującą się w głowicy. Wskutek zjawiska indukcji magnetycznej, w materiale zaczyna generować się prąd, który przybiera postać tzw. wirów – ładunki elektryczne poruszają się po pętli, pod kątem 90o do pola magnetycznego, które ich przepływ wywołało.
Pole magnetyczne, generowane przez cewkę nadawczą, powoduje wytworzenie prądów wirowych w materiale.
Pole magnetyczne i generowane przez nie prądy wirowe są od siebie zależne – oznacza to, że zmiana jednego ma wpływ na wartość drugiego. Na wielkość prądów wirowych największy wpływ mają zmiany przenikalności magnetycznej i przewodnictwa elektrycznego w badanym obiekcie, spowodowane m. in. występowaniem wad.
Pęknięcia otwarte (wychodzące na powierzchnię) są wypełnione powietrzem i/lub zanieczyszczeniami, przez co ich oporność elektryczna i przenikalność magnetyczna są inne od wartości charakterystycznych dla jednorodnego materiału obiektu, w którym występują [4, 5].
Prądy wirowe nie są w stanie przepłynąć bezpośrednio przez pęknięcie, dlatego są zmuszone do poruszania się wokół wady – obok niej i pod nią. Zmiana kierunku przepływu tych prądów ma wpływ na wielkość pola magnetycznego generowanego nad powierzchnią próbki, co jest rejestrowane przez małe cewki detekcyjne, znajdujące się w głowicy [2, 3].
Zmiany kierunku przepływu prądów wirowych, wywołane np. przez pęknięcie, powodują zmiany w rejestrowanym polu magnetycznym - na rysunku zielonymi okręgami oznaczono przepływ prądów wirowych, a na czerwono wadę materiałową; czerwona i zielona cewka nad wadą to dwie cewki rejestrujące zwrotne pole magnetyczne.
Zarejestrowany sygnał jest przedstawiony na ekranie defektoskopu w postaci trzech wykresów:
- Bx - odpowiadający głębokości wady,
- Bz - przedstawiający początek i koniec pęknięcia,
- Bx (Bz) - tzw. motylek, będący wykresem zależności dwóch powyższych wykresów.
Wykresy obrazujące zmiany zwrotne pola magnetycznego, charakterystyczne dla występowania pęknięcia w materiale; u góry po lewej wykres Bx(t), odpowiadający głębokości pęknięcia, na dole po lewej wykres Bz(t), przedstawiający początek i koniec wady, po prawej znajduje się zobrazowanie, będące zależnością dwóch poprzednich wykresów Bx(Bz).
Aparatura i wyposażenie badawcze
Aparatura i wyposażenie niezbędne do przeprowadzenia badań metodą ACFM to przede wszystkim:
- Defektoskop – urządzenie, które służy do generowania sygnału nadawczego i odbierania oraz przetwarzania sygnału zwrotnego. Najnowsze urządzenia posiadają własny wyświetlacz, dzięki czemu zbędne jest korzystanie z zewnętrznego ekranu i jednostki sterującej, np. laptopa.
- Głowice – odpowiadają za wytwarzanie pola magnetycznego oraz rejestrację zmian pola magnetycznego, znajdującego się nad powierzchnią próbki. Podstawowe głowice składają się z trzech cewek – jednej, większej, która generuje pole magnetyczne oraz dwóch mniejszych, ustawionych prostopadle do siebie, które rejestrują zmiany pola. Istnieją dwa podstawowe rodzaje głowic – do badania materiałów ferromagnetycznych, o wyższej przenikalności magnetycznej oraz do materiałów niemagnetycznych. Głowice te różnią się między sobą częstotliwością prądu sygnału nadawczego. Oprócz tych dwóch rodzajów głowic wyróżnia się także głowice do specjalnych zastosowań, między innymi wieloprzetwornikowe głowice typu array, głowice do badań wysokotemperaturowych, a także głowice o wysokiej czułości [3].
Najnowszy defektoskop ACFM - AMIGO2.
Możliwości metody ACFM®
Największą zaletą metody ACFM jest możliwość pomiaru długości i głębokości pęknięć wychodzących na powierzchnię do głębokości nawet 25-30 mm. Ponadto, dzięki temu, że oddziaływanie z materiałem jest oddziaływaniem elektromagnetycznym, skanowanie może odbywać się także przez farby i powłoki nieprzewodzące (np. antykorozyjne), których grubość warstwy dochodzi nawet do 8-12 mm. Zatem, w porównaniu do badań magnetyczno-proszkowych i penetracyjnych, metoda ACFM pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze na usuwaniu i ponownym nakładaniu powłok i farb na badany obiekt.
Dodatkowo, dzięki rozmaitym głowicom, metoda ACFM nadaje się do wykrywania wad w metalach zarówno magnetycznych jak i niemagnetycznych.
Niezwykle istotnym jest również fakt, że metoda ACFM jest bardzo szeroko wykorzystywana podczas badań konstrukcji off-shore, m. in. do przeprowadzania badań podwodnych [2, 3].
Zalety ACFM w porównaniu do dwóch najpopularniejszych metod nieniszczących badań powierzchniowych - metody magnetyczno-proszkowej i penetracyjnej.
Szkolenie operatorów
Szkolenie operatorów badań ACFM odbywa się wg standardów ASNT (SNT-TC-1A). Kursy są przeprowadzane na stopień 1, 2 i 3 między innymi w siedzibie TSC (Milton Keynes, Wielka Brytania). Szkolenia mają za zadanie przygotować przyszłego operatora, zarówno teoretycznie jak i praktycznie, do przeprowadzenia badań na złączach spawanych.
Źródła
- http://www.koli.eu/
- TSC Company Brochure; http://tscis.com/assets/downloads/TSC%20-%20Company,%20Brochure.pdf
- “TSC ACFM® course notes for use with: Level 1 Training Course To Recommended Practice SNT-TC-1A (2011)”; Jim Sheppard, Martin Lugg, Bruce Blakeley; Wyd. 1.9; 2015 r.
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Przenikalno%C5%9B%C4%87_magnetyczna
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Przewodnictwo_elektryczne