Sięgając do teorii prądów wirowych, warto przypomnieć, że prąd wirowy, bardzo często nazywany również prądem Foucaulta od nazwiska jego odkrywcy J. Foucaulta, jest prądem indukcyjnym pojawiającym się w substancji przewodzącej prąd, umieszczonej w zmiennym polu magnetycznym lub poruszającej się względem źródła stałego pola magnetycznego.
Prąd wirowy powoduje powstawanie indukowanego pola magnetycznego, które przeciwdziała zmianom pierwotnego pola magnetycznego zgodnie z prawem Lenza. Wraz ze wzrostem natężenia pola magnetycznego bądź przewodności właściwej przewodnika lub im szybciej zmienia się pole magnetyczne, na którego działanie wystawiony jest przewodnik, tym silniej indukują się prądy wirowe.
Wyjaśniając kwestie związane z pomiarami przy zastosowaniu prądów wirowych, warto przybliżyć zagadnienia obejmujące badania nieniszczące (ang. Non-Destructive Testing – NDT). Są to badania umożliwiające uzyskanie informacji o stanie, właściwościach i ewentualnych wadach struktury lub materiału, które poddano badaniu bez ingerowania w cechy użytkowe tego obiektu. W przeciwieństwie do badań niszczących badania nieniszczące oceniają stan obiektu bez fizycznej ingerencji w jego strukturę. W efekcie uzyskuje się niższy koszt badania.
Obszar zastosowania badań nieniszczących w porównaniu z niszczącymi jest zdecydowanie szerszy. W dużej mierze wynika to z możliwości określania właściwości i uzyskiwania dokładnego opisu fizycznego danego materiału. Poprzez użycie właściwych algorytmów można określić właściwości termiczne, wytrzymałościowe i elektromagnetyczne materiału bez jego spalania, podgrzewania, łamania, gięcia, obciążania czy niszczenia w efekcie prób przy użyciu prądu elektrycznego. Dzięki temu badania nieniszczące znajdują zastosowanie w realizowaniu procedur obejmujących ocenę niezawodności i jakości produktów podczas procesu technologicznego oraz produktów gotowych, szczególnie w przemyśle lotniczym, energetycznym, motoryzacyjnym, petrochemicznym oraz we wszystkich branżach w aspekcie konstrukcyjnym. Badania nieniszczące są nieodzownym elementem laboratoriów oraz ośrodków naukowych podczas projektowania i określania właściwości nowych materiałów.
Metody badań nieniszczących
W praktyce zastosowanie znajduje przynajmniej kilka metod badań nieniszczących, niemałym uznaniem cieszą się też metody łączące kilka metod badawczych. Stosowane są zatem badania w oparciu o metody wizyjne, drganiowe, ultradźwiękowe i termograficzne.
Istotną rolę odgrywają badania radiograficzne, w których uwzględnia się technologię laserową oraz badania emisji akustycznej. Z kolei badania bazujące na metodzie wiroprądowej zaliczane są do metod elektromagnetycznych.
Badania elektromagnetyczne
Badania nieniszczące, bazujące na zjawiskach elektromagnetycznych, oparte są na prądach wirowych oraz metodzie magnetyczno-proszkowej. Należy przy tym zwrócić uwagę na fakt, że grupa badań nieniszczących znajduje zastosowanie jedynie w obiektach powstałych na bazie materiałów przewodzących prąd elektryczny. Z kolei podczas badań z zastosowaniem metody wiroprądowej prąd przemienny, który płynie przez cewkę, powoduje powstanie zmiennego pola elektromagnetycznego zarówno wewnątrz cewki, jak i wokół niej. W momencie, gdy cewka zostanie wzbudzona, następuje jej zbliżenie w stosunku do przedmiotu zbudowanego z przewodnika, a przemienne pole cewki spowoduje powstanie indukcyjnych prądów wirowych w badanym detalu, o natężeniu odwrotnie proporcjonalnym do głębokości penetracji.
Prądy wirowe, które zostały wytworzone, powodują powstanie wtórnego pola elektromagnetycznego. Cechuje się ono zwrotem przeciwnym do pierwotnego, co powoduje jego osłabienie. Właśnie to osłabienie jest rejestrowane przez układ sterujący cewką, a każde zwiększenie natężenia prądów wirowych powoduje zmniejszenie impedancji cewki. Wykrywanie pęknięć w przewodnikach odbywa się zgodnie z kolejnością wystąpienia zjawiska defektu materiału wydłużającego ścieżkę, którą płynie prąd wirowy. Tym sposobem zmniejsza się wtórne pole elektromagnetyczne, która to zmiana w konsekwencji jest możliwa do zaobserwowania poprzez rejestrowanie wzrostu impedancji cewki. W przypadku gdy cewka jest przesuwana w stałej odległości od powierzchni przedmiotu ze stałą prędkością, nagła zmiana prądu cewki świadczy o bezpośrednim (pod cewką) uszkodzeniu badanego obiektu.
Urządzenia pomiarowe
Poszczególne wersje czujników wiroprądowych (opis na bazie oferty firmy Pruftechnik) różnią się przede wszystkim czułością pomiarową. Istotną rolę odgrywa kanał absolutny przeznaczony do wykrywania defektów wzdłużnych, który zintegrowany jest z uzwojeniem różnicowym. Standardowo przewiduje się zakres średnic 0,1227 mm (1/88 i 7/8 cala). Zastosowanie znajdują również cewki przelotowe, wykorzystywane podczas testowania całkowitej powierzchni rur, prętów czy drutów. Parametry cewki, takie jak konfiguracja jej uzwojenia, a także kształt i wielkość zależą od konkretnych wymagań aplikacji. Cewki przelotowe z oferty firmy Pruftechnik opcjonalnie wyposażono w mikroprocesor, który zawiera informacje na temat rodzaju, rozmiaru, powierzchni roboczej, a także numeru seryjnego czujnika. Zaletą takiego rozwiązania jest określenie poprawności testu podczas tworzenia raportu.
Urządzenie EDDYCHEK S to ekonomiczne rozwiązanie techniczne, cechujące się budową modułową z możliwością doboru odpowiedniej liczby kanałów testujących. Wizualizacja defektu bazuje na liniach LED. Urządzenie znajduje zastosowanie przede wszystkim w rozwiązaniach jednokanałowych (test szwu), kończąc na zaawansowanych aplikacjach wielonakałowych z użyciem testów online, z głowicą rotacyjną. Powstały system pomiarowy jest oparty na PC. Z kolei system pomiarowy EDDYCHEK 5 zapewnia szybką obsługę systemu przy użyciu ekranu dotykowego. Istotną rolę odgrywają elastyczne sposoby oceny sygnałów, co zapewnia dokładne określanie miejsca defektu.
Przyrząd Rotating System RS65 sprawdza się szczególnie przy wykrywaniu defektów wzdłużnych przedmiotów o średnicy mieszczącej się pomiędzy 5 a 65 mm (3/162,5 cala). Dlatego możliwe jest wykrywanie defektów wzdłużnych w prętach, drutach oraz rurach bezszwowych również przy wysokiej prędkości pracy linii produkcyjnej. Z pewnością przydatny okaże się system kompensacji Lift-off zapewniający optymalną korelację sygnał–defekt. Zastosowany system rotacyjny powoduje, że sensory testujące wirują wokół badanego elementu, dostarczając dokładny obraz charakterystyki defektu.
Firma NDT System oferuje przyrząd CIRCOGRAPH CP. Urządzenie stanowi jednokanałowy miernik umożliwiający automatyczne testowanie w oparciu o interfejsy do czujników związanych z linią oraz elementów wykonawczych do sterowania prędkością znakowania wad i sortowania. Porty drukarki i komputera zapewniają dokumentowanie za pomocą wydruków lub przesyłanie wyników testowania i danych nastawy do innych systemów komputerowych. Dzięki zastosowaniu niewielkich głowic obrotowych przyrząd dobrze sprawdza się przy bezpośrednim włączeniu w linie ciągnienia i zwijarki. Z kolei model CIRCOGRAPH DS wyposażony jest w ekran dotykowy oraz oprogramowanie aplikacyjne, które krok po kroku przeprowadza operatora przez proces pomiaru. Oprogramowanie zapewnia jednoczesny dostęp do przyrządu z dowolnej liczby komputerowych stacji roboczych. Przyrząd jest w stanie wykonać kompensację szczeliny z automatyczną regulacją.
Firma EC-Works oferuje badania prądami wirowymi powierzchni w celu przeprowadzenia kontroli wszelkiego rodzaju urządzeń i systemów w różnych gałęziach przemysłu. W szczególności chodzi o wykrywanie pęknięć, które bardzo często spowodowane są korozją wywołaną przez chlorki w austenitycznych systemach rurociągów, reaktorach lub kolumnach. Inspekcje tego typu mogą być przeprowadzane również podczas pracy urządzenia oraz na powierzchniach o temperaturze do 200°C. Nie ma przy tym konieczności usuwania powłok. Ważne jest jedynie, aby była zdjęta izolacja, a nierówna powierzchnia wyczyszczona np. poprzez wypłukanie wodą. Badaniu bardzo często poddawane są łopatki turbin lub sprężarki. Zastosowanie obejmuje również kontrolowanie spoin w wagonach kolejowych, dźwigach oraz systemach rurociągowych, a także noży do konwerterów energii wiatrowej i elementów karoserii w branży motoryzacyjnej.
Oprogramowanie
Podczas badań z wykorzystaniem metody wiroprądowej analiza zebranych danych może odbywać się za pomocą specjalistycznego oprogramowania dołączonego do przyrządu pomiarowego. Niektóre aplikacje tego typu zapewniają analizowanie trendów z kilku linii produkcyjnych jednocześnie.
Na uwagę zasługuje możliwość pracy sieciowej, dzięki czemu zyskuje się zdalną kontrolę nad urządzeniami testującymi z każdego komputera podłączonego do sieci. Jest również możliwe przygotowanie raportu oraz zdalna zmiana parametrów testu. Przydać się może również funkcja pełnego odtworzenia historii testu.
Podsumowanie
Badania wiroprądowe zalicza się do badań powierzchniowych stosowanych w procesie związanym z analizowaniem zarówno struktur płaskich, jak i tzw. jednowymiarowych, jak rury czy kształtowniki. Jeżeli analizie poddano strukturę płaską, zastosowanie znajdują badania z użyciem cewki nawiniętej na badany obiekt. W badaniach okrążających bardzo często uwzględnia się dwie cewki, z których jedna indukuje prądy wirowe w materiale, zaś druga przeznaczona jest do wykrywania zmian zachodzących w przewodności i przenikalności magnetycznej materiału, wynikających z jego niejednorodności.
UR
Autor: Damian Żabicki
