Badania penetracyjne PT - najprostsza z metod badań nieniszczących. Ale czy na pewno?

Badania penetracyjne (skrót PT - Penetrant Testing) są jedną z najprostszych metod badań nieniszczących. Wpływ na ten fakt mają takie czynniki, jak możliwość przeprowadzenia badań dla wielu typów materiałów, w bardzo różnych warunkach, a sam zestaw badawczy jest nieskomplikowany i prosty w użyciu. Mimo tych wszystkich czynników, należy pamiętać, że każda z metod NDT ma swoje ograniczenia, a jej nieodpowiednie stosowanie może wpływać na niewykrycie istotnych nieciągłości w badanych urządzeniach.

 

Historia

 

Historia badań penetracyjnych sięga okresu garncarstwa, kiedy to zaczęto wykorzystywać sadzę jako materiał penetracyjny. W latach 30-tych i na początku 40-tych XX wieku zaczęto używać mieszaniny oleju i kredy w badaniach PT. Tuż przed drugą wojną światową i w okresie międzywojennym wzrosło zainteresowanie stopami aluminium, magnezu, stalami nierdzewnymi i innymi materiałami niemagnetycznymi, co wymagało rozpoczęcia poszukiwań metody taniej, prostej, pewnej, pozwalającej na wykrycie nieciągłości w tych materiałach.

Do 1960 roku w badaniach penetracyjnych wykorzystywano wyłącznie barwnik widzialny w świetle białym, zazwyczaj koloru czerwonego, czasami niebieskiego. Dopiero po 1960 roku zaczęto wykorzystywać penetrant z barwnikiem fluorescencyjnym.

Wraz z postępem nauki, w badaniach penetracyjnych zaczęto wykorzystywać środki chemiczne i sprzęt, pozwalające wykrywać coraz mniejsze wady na coraz bardziej odpowiedzialnych konstrukcjach. Ten rozwój trwa i zapewnia nam, operatorom badań penetracyjnych, dostęp do technik, środków i sprzętu, spełniających wymagania w zakresie czułości, kompatybilności i ekologii.

 

Przeprowadzanie badań penetracyjnych pozornie może wydawać się proste... 

 

Przeprowadzanie badań penetracyjnych

 

Badania penetracyjne stosuje się do wykrywania nieciągłości otwartych na powierzchni, czyli m.in. różnego rodzaju pęknięć czy porów. Metodę PT można stosować na różnorodnych materiałach, począwszy od stali ferrytycznej, po stale austenityczne czy aluminium. 

A na czym w ogóle polega to badanie? Jak się je przeprowadza?

Do jego wykonania wykorzystuje się 3 substancje: penetrant, wywoływacz i zmywacz. Na oczyszczoną i odtłuszczoną powierzchnię badania nanoszony jest penetrant - pozostaje on na niej przez pewien czas, nazywany czasem wnikania. Przez ten okres penetrant zwilża powierzchnię badania i dzięki siłom kapilarnym wnika do wszystkich otwartych nieciągłości. Etap penetracji kończy się zmywaniem pośrednim - penetrant zostaje starty i zmyty z obserwowanej powierzchni, ale w sposób, niepowodujący jego wypłukania z wad. Na tak przygotowany element nanoszony jest wywoływacz, który "wyciąga" penetrant z nieciągłości i umożliwia obserwację wskazań na powierzchni. Proces badania penetracyjnego został także przedstawiony na poniższym obrazku.

 

Przebieg badań penetracyjnych: przygotowanie powierzchni do badań, nanoszenie penetranta, usuwanie nadmiaru penetranta z powierzchni, nanoszenie wywoływacza, obserwacja wskazań

 

Istotne pojęcia związane z badaniami PT

 

Powyższy skrócony opis przeprowadzania badań penetracyjnych zawierał takie pojęcia, jak np. zwilżalność. Poniżej znajduje się kilka definicji czynników, które charakteryzują badanie, mają najistotniejszy wpływ na jego przebieg i możliwości wykrywania wad.

• Penetrant - ciecz o dużej zwilżalności, małym napięciu powierzchniowym i niskiej lepkości, która wnika do wszystkich szczelin, nieciągłości otwartych na powierzchni, w oparciu o zjawisko włoskowatości (kapilary). Penetrant zawiera specjalny barwnik, dobrze widoczny na tle wywoływacza. Obserwowanie penetranta odbywa się w świetle białym (barwnik penetranta jest wtedy czerwony lub niebieski) lub w promieniowaniu UV-A (barwnik jest wtedy żółto-zielony, silnie fluoryzuje pod wpływem promieniowania UV-A). Penetranty można nanosić na powierzchnię przy pomocy np. pędzla lub rozpylać przy użyciu aerozoli. Ponadto, w wielu zakładach produkcyjnych, stosuje się zanurzanie badanego elementu w specjalnej wannie wypełnionej penetrantem.  
• Zmywacz - służy do wstępnego mycia powierzchni, usuwania nadmiaru penetranta oraz do czyszczenia końcowego. W zależności od rodzaju zastosowanego penetranta, zmywacz może być po prostu wodą lub specjalnym rozpuszczalnikiem.
• Wywoływacz - jest to substancja silnie chłonąca penetrant. Wywoływacz nakłada się na powierzchnię, po usunięciu z niej nadmiaru penetranta, aby wyciągnąć pozostały penetrant ze wszystkich otwartych nieciągłości i zobrazować go na powierzchni. Wywoływacz ma barwę silnie kontrastującą z penetrantem. 
• Emulgator - substancja chemiczna, która po połączeniu z nadmiarem penetranta na powierzchni tworzy zawiesinę zmywalną wodą. Emulgatory stosuje się po upływie czasu penetracji. Emulgatory mogą być lipofilowe (na bazie oleju, stosowane dosyć rzadko) oraz hydrofilowe (stosowane, gdy wymagana jest najwyższa czułość badania).
• Czas wnikania - najkrószy czas, umożliwiający penetrantowi wniknięcie do wszystkich otwartych nieciągłości. Czas wnikania (penetracji) liczony jest od momentu zetknięcia się penetranta z powierzchnią badania, aż do momentu usunięcia jego nadmiaru z tej powierzchni. 
• Czas wywoływania - czas kontaktu wywoływacza z powierzchnią, wystarczający na wyciągnięcie penetranta z nieciągłości i niezbędny do utworzenia powiększonych wskazań, czyli defektogramów. Przyjmuje się, że czas wywoływania nie może być krószy od czasu wnikania penetranta. 
• Napięcie powierzchniowe - jest to przykład działania tzw. sił kohezji (spójności) między cząsteczkami dla danej cieczy. Napięcie powierzchniowe dla penetrantów powinno być jak najmniejsze, aby zapewnić dobre zwilżanie powierzchni oraz umożliwić wnikanie cieczy do nieciągłości. W poniższej tabeli znajdują się przykładowe wartości napięcia powierzchniowego dla niektórych substancji.

 

Substancja	Napięcie powierzchniowe [N/m]
Penetrant	0,028 - 0,035
Rozpuszczalnik	0,023 - 0,028
Woda	0,072
Teflon	0,019
Aluminium	0,85
Żelazo	1,65

 

• Zwilżalność - właściwość związana z napięciem powierzchniowym. Dobra zwilżalność powierzchni oznacza równomierne pokrycie powierzchni badanej penetrantem, bez tworzenia się na niej kropel. Bardzo dobra zwilżalność penetrantów to cecha porządana w badaniach penetracyjnych.
• Lepkość - właściwość substancji charakteryzująca ich tarcie wewnętrzne (tarcie między cząsteczkami), wynikające z przesuwania się względem siebie warstw płynu podczas przepływu. Im niższa lepkość, tym krótszy czas wnikania penetranta w nieciągłości. Wpływ na lepkość ma temperatura - im jest ona niższa, tym większa jest lepkość.
• Zjawisko kapilary - nazywane również włoskowatością. Wznoszenie się cieczy w rurkach i bardzo wąskich szczelinach wbrew sile ciężkości. Wzrost słupa cieczy jest tym większy, im mniejsza jest średnica rurki. W badaniach penetracyjnych zjawisko włoskowatości umożliwia wnikanie penetranta do nieciągłości.

 

 Powstawanie kropel na powierzchni badania to informacja o złej zwilżalności penetranta

 

 Preparaty oraz pojęcie systemu w badaniach penetracyjnych

 

Zgodnie z normą PN-EN ISO 3452-1: Badania nieniszczące. Badania penetracyjne. Część 1: Zasady ogólne oraz normą PN-EN ISO 3452-2: Badania nieniszczące. Badania penetracyjne. Część 2: Badania materiałów penetracyjnych, preparaty do badań penetrayjnych muszą pochodzić od jednego producenta i mieć aktualną datę przydatności do użycia.

Klasyfikację środków do badań penetracyjnych oraz klasę czułości określa system badania penetracyjnego, przedstawiony w poniższej tabeli.

 

Penetrant		Zmywacz		Wywoływacz
Typ	Nazwa	Typ	Nazwa	Typ	Nazwa
I	Penetrant fluorescencyjny	A	Woda	a	Suchy
II	Penetrant barwny	B	Emulgator lipofilowy	b	Wodny rozpuszczalny
III	Penetrant o podwójnym zastosowaniu (fluorescencyjno-barwny)	C	Rozpuszczalnik	c	Wodny zawiesinowy
		D	Emulgator hydrofilowy	d	Rozpuszczalnikowy (dla penetranta typ I)
		E	Woda i rozpuszczalnik	e	Rozpuszczalnikowy (dla penetranta typ II i III)
				f	Zastosowania specjalne
				g	Brak wywoływacza (tylko typ I)

 

Przykładowe oznaczenie systemu do badań penetracyjnych wygląda następująco:

II E e - (2)

• II - penetrant barwny
• E - zmywacz wodny i/lub rozpuszczalnikowy
• e - wywoływacz rozpuszczalnikowy
• 2 - klasa/poziom czułości systemu badawczego; klasy czułości systemów barwnych: 1, 2; klasy czułości systemów fluorescencyjnych: 1/2, 1, 2, 3, 4. Im wyższy poziom czułości, tym większa wykrywalność nieciągłości

 

Zarówno penetranty, jak i wywoływacze oraz zmywacze można kupować w różnych opakowaniach i różnie rozprowadzać na powierzchni. Operatorzy badań penetracyjnych, prowadzący inspekcje na urządzeniach eksploatowanych, najczęściej decydują się na puszki z aerozolami. Do zakładów produkcyjnych, posiadających często półautomatyczne lub automatyczne linie do badań nieniszczących, najczęściej zamawia się kanistry lub beczki ze środkami do badań, które rozprowadza się na powierzchni przy użyciu pędzla lub specjalnych rozpylaczy.  

 

Pełen system badań penetracyjnych II E e - (2) marki Magnaflux Bycotest

 

Wzorce i próbki odniesienia

 

Tak jak i w każdych innych metodach badań nieniszczących, w badaniach penetracyjnych wykorzystuje się specjalne wzorce i próbki odniesienia. 

Wzorce stosowane w badaniach penetracyjnych określa norma PN-EN ISO 3452-3: Badania nieniszczące. Badania penetracyjne. Część 3: Próbki odniesienia. Niniejsza norma wymienia 2 wzorce:

• Wzorzec nr 1 - służy do określenia czułości systemu penetracyjnego i stosowany jest głównie przez producentów środków badawczych. Składa się z zestawu 4 płytek powlekanych warstwami niklowo-chromowymi o grubościach 10, 20, 30 i 50 µm. Na każdej z płytek znajduje się siatka pęknięć, która musi zostać uwidoczniona podczas badania penetracyjnego. Do określenia czułości penetrantów fluorescencyjnych wykorzystuje się wszystkie płytki, natomiast dla penetrantów barwnych używa się tylko płytek 30 i 50 µm. 

 

Wzorzec nr 1 wg. PN-EN ISO 3452-3

 

• Wzorzec nr 2 - służy do kontroli systemów badawczych przez użytkownika. Próbka to pojedyncza płytka wykonana ze stali nierdzewnej, podzielona na dwie strefy. Pierwsza strefa składa się z 4 pól o różnych stopniach chropowatości i pozwala określić zmywalność penetranta. Dzięki tej strefie możemy sprawdzić, czy stosowany przez nas proces usuwania penetranta z powierzchni o danej chropowatości jest prawidłowy.  Druga strefa to strefa defektów, w której znajduje się 5 wad o rosnącej wielkości. Ta strefa pozwala zaobserwować widoczność wskazań i, w razie potrzeby, wymienić system penetracyjny, aby zapewnić lepszą czułość badania. 

 

Wzorzec nr 2 wg. PN-EN ISO 3452-3

 

Inne:

• Płytki Runcheck Plaque - płytki wykonane z utwardzonej żywicy, odpornej na rozpuszczalniki. Po jednej stronie płytki znajdują się dwie wady powierzchniowe o charakterze liniowym lub rozgałęzionym, które powinny być zaobserwowane po prawidłowym przeprowadzeniu badania penetracyjnego. Płytki Runcheck to jeden z najprostszych i najtańszych sposobów kontroli środków penetracyjnych, jak również prawidłowości przeprowadzonego procesu.

Płytka Runcheck Plaque

 

• Próbka kontrolna PSM-5 (wg Pratt&Whitney Aircraft TAM 146040) - próbka wykonana ze stali nierdzewnej Ni-Cr została podzielona na 2 strefy. Pierwsza strefa pozwala określić prawidłowość procesu usuwania nadmiaru penetranta i pozostałości fluorescencji dla procesu z użyciem penetranta typu I. Druga strefa ma powierzchnię chromowaną, na której znajduje się 5 punktowych, równomiernie rozmieszczonych gwiaździstych pęknięć o zmniejszającej się wielkości - ta strefa umożliwia kontrolę czułości procesu i zastosowanych preparatów. 

 

Próbka kontrolna PSM-5

 

Zastosowanie badań penetracyjnych

 

Badania penetracyjne wykorzystuje się do wykrywania takich niezgodności, jak pęknięcia, pory, zakucia, itd., które są otwarte na powierzchni. Można ją stosować dla materiałów magnetycznych i niemagnetycznych, których powierzchnia nie jest zbyt chropowata. Ogólnie przyjęło się mówić, że badania penetracyjne stosuje się wszędzie tam, gdzie nie można zastosować metody magnetyczno-proszkowej - czyli w miejscach, w których nie da się użyć urządzeń wytwarzających pole magnetyczne lub, gdy materiał badany nie jest ferromagnetyczny. Badania penetracyjne można wykorzystać do kontroli złączy spawanych, odkuwek czy odlewów.

 

 

Wykryta nieciągłość na czaszy lancy zdmuchiwaczy sadzy

 

Zalety i wady badań penetracyjnych

 

Zalety	Wady
Najprostsza (pod względem teorii) metoda badań nieniszczących	Wykrywanie wad wyłącznie otwartych na powierzchni
Stosunkowo niskie koszty stosowania	Brak możliwości określenia głębokości wad
Możliwość stosowania dla niemal wszystkich materiałów	Metoda czasochłonna (czas czyszczenia + czas wnikania + czas wywoływania)
Możliwość automatyzacji metody (np. wprowadzenie linni badawczej w zakładzie produkcyjnym)	Metoda zależna od dokładności i rzetelności operatora
Niezależna od kształtu i rozmiaru obiektu	Powierzchnia badania musi być dostępna i dobrze oczyszczona - niedokładne oczyszczenie lub nadmierne szlifowanie może spowodować ,,ukrycie" nieciągłości
Wysoka czułość wykrywania nieciągłości	Nie może być stosowana dla materiałów porowatych i o bardzo niskim napięciu powierzchniowym

  

Wykaz najważniejszych norm 

 

1. PN-EN ISO 3059:2013-06 – Badania nieniszczące – Badania penetracyjne i badania magnetyczno-proszkowe – Warunki Obserwacji.
2. PN-EN ISO 23277:2015-05 – Badania nieniszczące spoin – Badania penetracyjne – Poziomy akceptacji.
3. PN-EN ISO 3452-1:2021 – Badania nieniszczące – Badania penetracyjne – Zasady ogólne.
4. PN-EN ISO 3452-2:2021-12 – Badania nieniszczące – Badania penetracyjne – Badania materiałów penetracyjnych.
5. PN-EN ISO 3452-3:2014-02 – Badania nieniszczące – Badania penetracyjne – Próbki odniesienia.
6. PN-EN ISO 3452-4:2001 – Badania nieniszczące – Badania penetracyjne – Wyposażenie.
7. PN-EN ISO 3452-5:2009 – Badania nieniszczące – Badania penetracyjne – Badania penetracyjne w temperaturach wyższych niż 50˚C.
8. PN-EN ISO 3452-6:2009 – Badania nieniszczące – Badania penetracyjne –  Badania penetracyjne w temperaturach niższych niż 10˚C.
9. PN-EN 10228-2:2016-07 – Badania nieniszczące odkuwek stalowych – Badania penetracyjne.

 

Źródła

 

1. Badania penetracyjne - Repetytorium; A. Borowiecka-Wilczyńska; Biuro Gamma, Warszawa, 2007r.
2. Badania penetracyjne - Poradnik, cz. 1; Cz. Bigda, L. Bigda; SIMP, Wrocław, 2000r.
3. Badania penetracyjne PT(1+2) - Materiały szkoleniowe; TUV Rheinland, 2007r.
4. https://www.jwjndt.com/product/runchek-plaques-crack-panels/
5. https://content.ndtsupply.com/assets/Uploads/ISO-3452-3-Type-1-Reference-Block-Data-Sheet.pdf?clientId=988406592.1649157649
6. https://www.koli.com.pl/wyposazenie,53,pl.html#group-fancybox-8
7. https://www.koli.com.pl/uslugi