C¬ së kü thuËt kiÓm tra bét tõ TS. NguyÔn Träng My C¬ së kü thuËt kiÓm tra bét tõ 4 Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS. Nguyễn Trọng My mở đầu Kiểm tra bột từ là phơng pháp không phá huỷ có khả năng phát hiện và định vị các khuyết tật bề mặt và gần bề mặt trong các vật liệu sắt từ. Phơng pháp do W.E. Hoke (Mỹ) phát minh vào những năm 1920. Nguyên lý của ph- ơng pháp dựa trên sự biến dạng của từ trờng trong vật nhiễm từ do sự có mặt của khuyết tật. Sự biến dạng này gây nên một số đờng sức của từ trờng thoát ra ngoài, đi trong không khí và sau đó quay về vật. Hiện tợng này gọi là sự dò trờng từ thông. Trờng dò có khả năng hút các hạt sắt từ nhỏ và tạo nên các chỉ thị hoặc hình ảnh của khuyết tật. Một trong những ứng dụng chính của phơng pháp này là phát hiện các gián đoạn càng sớm các tốt trong các công đoạn chế tạo và sử dụng, để tránh đợc các chi phí vào các vật liệu và sản phẩm mà sau đó lại bị loại bỏ. Trong thực tế, tất cả các công đoạn chế tạo, từ quá trình đúc đến các công đoạn chế tạo cuối cùng đều có thể gây nên các khuyết tật. Kiểm tra bột từ có thể phát hiện nhiều loại khuyết tật, tránh đợc nguy cơ đa các sản phẩm kém phẩm chất vào sử dụng. Phơng pháp kiểm tra bột từ bao gồm 3 bớc chính: a) Từ hoá vật kiểm tra b) áp dụng bột từ c) Phát hịên, giải đoán và đánh giá các chỉ thị từ 2. Khả năng và hạn chế của phơng pháp kiểm tra bột từ Kiểm tra bột từ có thể phát hiện đợc các khuyết tật bề mặt trong các vật liệu sắt từ, kể cả các khuyết tật rất nhỏ và hẹp mà mắt thờng không thể phát hiện đợc. Các chỉ thị từ đợc hình thành ngay trên khuyết tật và do đó cho ta biết vị trí, hình dạng và kích thớc gần đúng 5 Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS. Nguyễn Trọng My của khuyết tật. Kiểm tra bột từ còn có khả năng phát hiện các khuyết tật nằm gần bề mặt của vật. Độ nhậy đối với các khuyết tật này hạn chế và phụ thuộc vào chiều sâu, kích thớc, thể loại, hình dáng của khuyết tật và vào cờng độ từ trờng sử dụng . Kiểm tra bột từ không dùng đợc với các vật liệu phi sắt từ, bao gồm thuỷ tinh, gốm sứ, chất dẻo, nhôm, magiê, đồng và các hợp kim thép ơstenít. Trong cuốn sách này, tác giả sẽ lần lợt trình bày các vấn đề cơ bản nhất của kỹ thuật kiểm tra bột từ, cùng với các kỹ năng thực hành cần thiết để thực hiện có hiệu quả kỹ thuật kiểm tra trong các ngành công nghiệp khác nhau. Để minh hoạ, một quy trình kiểm tra bột từ trong kiểm tra mối hàm bồn chứa xăng dầu theo chuẩn API 650 cũng đợc trình bày trong phần cuối của cuốn sách. Chơng I Cơ sở lý thuyết từ Cơ sở của phơng pháp kiểm tra bột từ dựa trên các nguyên lý của lý thuyết điện và từ. Do đó, để có thể ứng dụng có hiệu quả kỹ thuật kiểm tra bột từ, ta cần phải nắm đ ợc các kiến thức cơ bản về các lý thuyết trên. Hình 1: Nam châm thẳng với các cực bắc(N) và nam(B). 6 Hình 1: Nam châm thẳng với các cực bắc (N) và nam (S) Vật có khả năng hút sắt từ đợc gọi là nam châm. Khả năng hút hoặc đẩy của nam châm không đồng đều mà tập chung ở các đầu của thanh, gọi là các cực (hình1). Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS. Nguyễn Trọng My Mỗi nam châm đều có 2 hoặc nhiều cực. Các cực của nam châm bị hút bởi các lực từ của Trái đất và do đó đợc gọi là các cực Bắc (N) và Nam (S). !"#$%#& Nếu đặt một miếng bìa lên một thanh nam châm, rồi rắc bột sắt mịm lên tờ bìa và gõ nhẹ, các bột sắt từ sẽ sắp xếp nh hình 2. Các đờng cong bột sắt này cho ta hình ảnh về các đ ờng từ thông (đờng sức) tạo nên từ tr ờng của nam châm. Toàn bộ các đờng từ thông gọi là thông l ợng từ . Đơn vị của thông lợng từ là Maxwell hay weber. Một maxwell là một đờng từ thông và 1weber=10 8 maxwell. Những tính chất liên quan đến đờng từ thông: + Chúng tạo nên đờng vòng tròn liên tục, không gấp khúc và luôn khép kín +Chúng không bao giờ cắt nhau +Chúng là đại lợng có hớng: các đờng từ thông xuất phát từ cực Bắc, đi vào không khí rồi vào cực Nam và qua cực Nam lại trở về cực Bắc. +Mật độ của chúng giảm dần khi khoảng cách tăng. 7 Hình 3: Các đờng từ thông ở trong và xung quanh thanh nam châm và bulông sắt từ. Hình 2: Nam châm thẳng với các đờng từ thông +Chúng có khuynh hớng bị lệch và đi qua các vật liệu từ và trong quá trình đó chúng làm các vật liệu bị từ hoá(hình 3). Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS. Nguyễn Trọng My Nếu một nam châm bị bẻ gẫy thành nhiều mảnh thì mỗi mảnh gẫy lại trở thành Hình 4: Mỗi mảnh gẫy của một nam châm lại trở thành một nam châm hoàn chỉnh (a) và tơng tác giữa các cực (b) '()#$%$*+ Số đờng từ thông (đờng sức) trong một đơn vị điện tích vuông góc với hớng của chúng đợc gọi là mật độ từ thông. Đơn vị của mật độ từ thông là gauss (G) hay tesla (T). 1G=1maxwell/1cm 2 =1 đờng từ thông /1cm 2 1tesla=1weber/1m 2 =10 4 G ,-+.$)/ Tất cả các vật liệu đều bị tác động ở một mức độ nào đó bởi từ trờng khi ta đặt nó trong từ trờng, và vật ít nhiều sẽ bị nhiễm từ. Đại lợng dùng để chỉ mức độ dễ bị nhiễm từ của vật liệu gọi là từ thẩm. Tuỳ vào tính chất từ thẩm của vật liệu mà ta chia các loại vật liệu thành hai loại: vật liệu nghịch từ và vật liệu thuận từ và sắt từ: +Vật liệu nghịch từ (Hg, Au, Bi, Zn) có hệ số từ thẩm nhỏ hơn của chân không một ít (à của chân không trong hệ số Gauss=1). Nếu đặt các vật đó trong một từ trờng mạnh, vật sẽ bị nhiễm từ nhẹ, với hớng ngợc với hớng của từ trờng ngoài. +Vật liệu thuận từ (Al, Pt, Cu, gỗ) có hệ số từ thẩm lớn hơn của chân không một ít. Nếu đặt trong từ trờng mạnh, vật bị nhiễm từ nhẹ và có hớng trùng với hớng của từ trờng ngoài. Vật bị mất ngay từ tính khi rời khỏi từ trờng ngoài. +Vật liệu sắt từ có hệ số từ thẩm lớn hơn 1 rất nhiều. Khi đặt vật trong từ trờng ngoài, vật bị nhiễm từ mạnh. Vật vẫn lu đợc từ tính sau một thời gian sau khi rời khỏi từ trờng ngoài. Khả năng lu từ là một tính chất quan trọng của vật liệu sắt từ. Các vật liệu sắt từ điển hình là: Fe, Co, Ni, Ga, thép. 0-1.+$23 8 4 4 5 S một nam châm hoàn chỉnh. Các cực khác tên thì hút nhau, cùng tên thì đẩy nhau(hình 4). S S Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS. Nguyễn Trọng My Các hợp kim đặc biệt đợc xử lý nhiệt trong một từ trờng ngoài mạnh sẽ trở thành nam châm vĩnh cửu. Nam châm vĩnh cửu đóng một vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp hiện đại. Trong kỹ thuật kiểm tra bột từ, nam châm vĩnh cửu dùng để từ hoá vật kiểm tra trong một số trờng hợp hạn chế. Một số hợp kim thờng dùng để làm nam châm vĩnh cửu là hợp kim nhôm, niken và coban (alnico), hợp kim đồng, niken và sắt (cunife). 6""78 Trái đất là một nam châm khổng lồ (hình 5). Tuy nhiên, từ trờng của Trái đất khá yếu (0.03mT hay 0.3G). Từ trờng này thờng gây cản trở trong việc từ hoá hoặc khử từ các vật kiểm tra. Hình 5: Từ trờng của Trái đất với các cực Bắc và Nam và đờng từ thông. 9:; Nguồn gốc của từ trờng liên quan đến sự chuyển động quay (spin) của điện tử trong nguyên tử, phân tử. Còn tính chất nhiễm từ mạnh của sắt từ có thể giải thích là do các vật liệu này có cấu tạo gồm các vùng nhiễm từ tự nhiên gọi là vùng từ. Khi không có từ trờng ngoài, các vùng từ này sắp xếp ngẫu nhiên và do đó từ trờng của chúng khử lẫn nhau. Khi đặt vật trong một từ trờng ngoài, các vùng nhiễm từ sẽ kết hợp lại và sắp xếp theo hớng của từ trờng ngoài. Kết quả là sắt bị nhiễm từ mạnh (hình 6). 9 4 4 Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS. Nguyễn Trọng My Hình 6: Định hớng của các vùng từ trvật liệu vật liệu sắt từ : khi không có từ trờng ngoài (a) và khi có từ trờng ngoài (b) <-+. <"$= Loại nam châm quen thuộc có hình móng ngựa giới thiệu trong hình 7a. Nó có một cực Bắc, đi vào không khí và trở vào cực Nam. Các vật liệu sắt từ chỉ bị hút và giữ ở các đầu hoặc giữa các cực của nam châm. Nếu ta uốn để các đầu của nam châm lại gần nhau hơn ( hình7 ), các cực của nam châm vẫn còn, các đờng từ thông vẫn rời và trở lại các cực nh trớc. Tuy nhiên, các đờng từ thông lúc này gần nhau và dầy đặc hơn. Vùng mà ở đó các đờng từ thông rời khỏi một cực, đi vào không khí và sau đó trở lại cực kia của nam châm đợc gọi là tr ờng rò hay tr ờng từ thông rò. Khi các đầu của nam châm cùng gập lại và các cực đợc dính chảy vào nhau để tạo thành hình nhẫn ( hình 7c ), nam châm không còn hút các chất sắt từ nữa ( không có các cực và các trờng rò ). Các đờng từ thông vẫn tồn tại, nhng chúng bị ngăn lại hoàn toàn bên trong nam châm. Trong trạng thái nh vậy, nam châm đợc gọi là nam châm vòng hay bị từ hoá vòng. Nếu có một vết nứt cắt ngang các đờng từ thông trong một vật bị từ hoá vòng, cực Bắc và cực Nam xuất hiện ngay lập tức ở mỗi đầu của gián đoạn này. Nam châm sẽ đẩy một phần của từ thông vào vùng không khí xung quanh tạo nên trờng rò và sẽ hút các hạt từ tạo nên các chỉ thị từ (Hình 7d). 10 4 4 >. >. Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS. Nguyễn Trọng My Hình 7: Từ trờng trong các dạng: a) nam châm móng ngựa b) nam châm vòng với khoảng không c) nam châm vòng khép kín d) bột từ bị dính vào vết nứt trong vật nhiễm từ vòng <!"?@ Trong một nam châm thẳng, các đờng từ thông chạy dọc trong nam châm, rời khỏi và trở lại nam châm ở các cực. Các vật liệu sắt từ chỉ bị hút ở các cực của nam châm. Ta nói nam châm có từ trờng dọc hay là vật bị từ hóa dọc (hình 8a). Nếu các đờng từ thông bị gián đoạn bởi một khuyết tật nào đó, các cực phụ sẽ đợc hình thành trên mỗi đầu của khuyết tật (hình 8b). Các cực thứ cấp đó và trờng rò đi kèm có thể hút các bột sắt từ, ngay cả khi khuyết tật là rất nhỏ hoặc nằm dới lớp bề mặt của vật (hình 8c). 11 4 4 4 Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS. Nguyễn Trọng My Hình 8: Từ trờng dọc a) nam châm thẳng với các cực bắc và nam b) nam châm thẳng có khe hở và trờng dò tơng ứng c) vết nứt trong vật từ hoá thẳng tạo nên các cực hút và giữ bột từ <'7A=B Mức độ bị biến dạng hay độ lớn của trờng dò phụ thuộc vào một số thông số nh mật độ từ thông, độ sâu của gián đoạn, chiều rộng của khe hở không khí giữa các cực và sự định h ớng của các gián đoạn (hình 9). Hình 9: ảnh hởng của độ sâu (a) và sự định hớng của khuyết tật lên trờng rò (b) Trờng rò là mạnh nhất khi các khuyết tật có trục vuông góc với các đờng từ thông. Tr- ờng rò sẽ giảm dần và bị triệt tiêu hoàn toàn khi khuyết tật nằm song song với các đờng từ thông. <,5C.+%D* Khi các hạt sắt từ đợc phun nhẹ vào trong từ trờng, chúng sẽ bị hút vào các cực. Càng gần đến các cực thì càng có nhiều đờng từ thông chạy qua. Các đờng từ thông tập chung vào các vật sắt từ do chúng có từ kháng nhỏ hơn từ kháng của không khí. Chính sự u tiên này khiến các hạt từ đợc tập chung mạnh vào các vùng từ rò và sau đó tạo nên các chỉ thị từ nhìn thấy bằng mắt thờng dới điều kiện chiếu sáng thích hợp. E-F / 12 4 G=/ G=/ "H Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS. Nguyễn Trọng My Oersted năm 1820 phát hiện thấy rằng khi đặt các kim nam châm gần dây dẵn có dòng điện chạy qua, kim nam châm bị lệch hớng và có hớng vuông góc với đoạn dây dẫn. Nam châm và dòng điện có mối liên quan với nhau: xung quanh dòng điện chạy qua dây dẫn có từ trờng (hình 10). Tiếp đó, năm 1834 Faraday phát hiện thấy xuất hiện một dòng điện trong dây dẫn khi: + Vòng dây đứng yên trong một từ trờng thay đổi hay + Vòng dây chyển động cắt từ trờng hay + Cả vòng dây chuyển động và từ trờng thay đổi. Nh vậy từ và điện có quan hệ t ơng hỗ nhau . E/ Xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua xuất hiện một từ trờng. Nếu vật sắt từ đặt trong từ trờng này, vật sẽ bị nhiễm từ. Sự từ hoá đợc thực hiện bởi sự cảm ứng từ. Hiệu ứng của từ trờng xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua này có thể tăng đáng kể nếu đoạn dây đợc cuộn thành vòng tròn. Từ trờng trong mỗi vòng sẽ cộng lại biến Hình 11: Sự tạo thành từ trờng dọc trong lòng cuộn cảm Sử dụng quy tắc bàn tay phải để xác định hớng của từ trờng (hình 12). 13 Hình 10: Thí nghiệm của Oersted 4 cuộn dây thành một nam châm có các cực ở mỗi đầu, giống nh một nam châm thẳng.(hình11) [...]... sau đó sẽ bị khử từ 25 Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ Chơng III: TS Nguyễn Trọng My Thiết bị kiểm tra bột từ Nói chung thiết bị dùng trong kỹ thuật kiểm tra bột từ là khá đơn giản ảnh hởng của thiết bị lên kết quả kiểm tra phụ thuộc chủ yếu vào cờng độ và loại dòng điện mà thiết bị tạo ra Còn nồng độ, thể loại, kích thớc và màu sắc của bột từ quyết định phơng pháp tiến hành phép kiểm tra Do đó, để có... Thiết bị kiểm tra bột từ di động 26 Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS Nguyễn Trọng My 3.1.2 Các thiết bị cố định Các thiết bị này phù hợp khi ta đa vật kiểm tra đến sẽ đem lại nhiều thuận tiện về vấn đề kinh tế và đợc thiết kế phù hợp với từng công việc có công suất lớn hay nhỏ, hoặc vật kiểm tra lớn hay nhỏ Thiết bị này thờng dùng với các kỹ thuật kiểm tra bột từ ớt huỳnh quang ở đó bột từ và chất... trờng từ hoá vuông góc với trờng lần đầu Đối với phép kiểm tra cần độ nhậy cao hơn, có thể ta phải từ hoá nhiều lần hơn 2.1.1 Từ hoá vòng Dòng điện chạy qua vật dẫn thẳng tạo nên từ trường vòng xung quanh và trong vật dẫn (hình 17) Từ trường Dòng điện từ hoá Từ trường Vật kiểm tra Dòng điện từ hoá Vật kiểm tra Hình 17: Từ trường vòng xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua Đối tợng kiểm tra từ hoá... dùng vì nguy cơ đánh lửa Dây dẫn Dòng điện Từ trư ờng Vết nứt Vết nứt Dòng điện Từ trư ờng 18 Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS Nguyễn Trọng My Hình 19: Từ hoá gián tiếp bằng cách cho dòng điện chạy qua thanh dẫn luồn bên trong vật rỗng 2.1.3 Từ hoá dùng thanh ấn (Prod) Thông thờng ta rất khó có thể từ hoá toàn bộ vật kiểm tra chỉ bằng một lần từ hoá Đối với các vật lớn, ta thờng từ hoá từng vùng của... các từ trờng xung quanh và trong các vật liệu dẫn điện Ta có thể thay đổi các hớng của từ trờng cảm ứng bằng cách điều khiển hớng của dòng điện từ hoá 16 Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS Nguyễn Trọng My Trong phơng pháp kiểm tra bột từ, ta phải chọn hớng và cờng độ của dòng điện sao cho các đờng từ thông tạo thành có hớng và mật độ thích hợp trên các vùng cần khảo sát Vì độ nhậy của phép kiểm tra. .. tiến hành từ hoá trong kiểm tra mối hàn đợc giới thiệu trong hình 30 Từ thông Vếll Vết nứt Hình 30: Các bước tiến hành từ hoá dùngNam trong kiểm tra vật đúc Yoke 3.1.4 Nam châm vĩnh cửu châm Một số loại nam châm vĩnh cửu cũng đợc dùng để từ hoá trong một vài trờng hợp hạn chế (hình 31) 28 Trường từ thông Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS Nguyễn Trọng My Hình 31: Nam châm vĩnh cửu và trờng từ thông Ưu... an toàn khi sử dụng nguồn sáng tử ngoại + Khi kiểm tra các chỉ thị từ, phải dùng buồng tối có độ sáng thích hợp + Phải chờ ít nhất 5 phút cho mắt quen với bóng tối Chơng IV: Bột từ và các tính chất Có hai loại bột từ đang đợc lu hành trên thị trờng là bột từ ớt và bột từ khô: + Bột từ khô dùng nh là nhũ tơng khô hoặc đám bụi bột từ trong không khí + Bột từ ớt dùng nh là nhũ tơng trong chất mang ở thể... 4.1 Bột từ khô Bột từ dùng trong các phép thử khô đợc sản xuất với sự chú ý đến các tính chất sau: + Các tính chất từ + Kích thớc hạt từ + Màu sắc và độ tơng phản 4.1.1 Các tính chất từ Hầu hết các bột từ là các hạt sắt từ nhỏ, mịm đợc bọc bằng các chất nhuộm màu Ngời ta chọn vật liệu sắt từ có tính chất phù hợp với các quy trình kiểm tra bột từ sau: + Phải có chỉ số kháng từ nhỏ + Phải có chỉ số lu từ. .. quanh ống sắt từ khi dòng điện xoay chiều chạy qua thanh dẫn 23 luồn trong ống Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS Nguyễn Trọng My 2.2.4 Các thông số điều khiển quá trình từ hoá Các thông số quan trọng cần quan tâm khi lựa chọn phơng pháp từ hoá gồm: + Loại hợp kim, hình dạng và trạng thái của đối tợng kiểm tra + Loại dòng điện kiểm tra + Hớng của từ trờng + Các bớc thực hiện + Trị số của từ thông + Công... này đợc gọi là từ hoá vòng hay có từ trờng vòng Phơng pháp này thích hợp nhất để phát hiện các khuyết tật nằm song song với trục của vật kiểm tra Phơng pháp này tạo nên các từ trờng mạnh nhất và có độ nhậy cao nhất đối với các khuyết tật nằm trên hoặc gần bề mặt 2.1.2 Từ hoá trực tiếp và từ hóa gián tiếp Từ trường Dòng điện 17 Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ TS Nguyễn Trọng My Hình 18: Từ hoá trực tiếp . C¬ së kü thuËt ki m tra bét tõ TS. NguyÔn Träng My C¬ së kü thuËt ki m tra bét tõ 4 Cơ sở kỹ thuật ki m tra bột từ TS. Nguyễn Trọng My mở đầu Ki m tra bột từ là phơng pháp không. thuật ki m tra bột từ, nam châm vĩnh cửu dùng để từ hoá vật ki m tra trong một số trờng hợp hạn chế. Một số hợp kim thờng dùng để làm nam châm vĩnh cửu là hợp kim nhôm, niken và coban (alnico),. kỹ thuật ki m tra bột từ, cùng với các kỹ năng thực hành cần thiết để thực hiện có hiệu quả kỹ thuật ki m tra trong các ngành công nghiệp khác nhau. Để minh hoạ, một quy trình ki m tra bột từ