KỸ THUẬT KIỂM TRA THẨM THẤU MỐI HÀN

KỸ THUẬT KIỂM TRA THẨM THẤU MỐI HÀN Kiểm tra bằng chất thẩm thấu lỏng là một trong số các phương pháp kiểm tra không phá huỷ (NDT) thông dụng dùng để phát hiện và định vị các khuyết tật hở ra bề mặt. Nguyên lý hoạt động của chất thẩm thấu

KỸ THUẬT KIỂM TRA THẨM THẤU MỐI HÀN

9.1 Những nguyên lý cơ bản của phương pháp thẩm thấu

Kiểm tra bằng chất thẩm thấu lỏng là một trong số các phương pháp kiểm tra không phá huỷ (NDT) thông dụng dùng để phát hiện và định vị các khuyết tật hở ra

bề mặt

Về cơ bản phương pháp thẩm thấu gồm các bước chính sau dây:

1 Làm sạch bề mặt của đối tượng kiểm tra

2 áp dụng chất thẩm thấu lên bề mặt đã làm sạch và chờ một thời gian cho chất thẩm thấu ngấm vào các gián đoạn bề mặt hoặc hở ra bề mặt

3 Loại bỏ chất thẩm thấu thừa trên bề mặt sao cho các chất thẩm thấu ở các gián đoạn không bị mất đi

4 Áp dụng chất hiện lên bề mặt để chất hiện kéo chất thẩm thấu trong các gián đoạn lên bề mặt tạo thành các chỉ thị gián đoạn

5 Kiểm tra, đánh giá các khuyết tật trong điều kiện chiếu sáng thích hợp

6 Làm sạch bề mặt sau kiểm tra và nếu cần, dùng chất chống ăn mòn để bảo vệ vật kiểm tra (hình 1)

9.2 Nguyên lý hoạt động của chất thẩm thấu

Tác động mao dẫn như nhựa dâng lên trong cây, dầu ngấm lên bấc đèn, khăn tắm ngấm nước, giấy thấm, ống thuỷ tinh có rãnh nhỏ v.v Khả năng thấm phụ thuộc vào sức căng bề mặt, độ ớt và độ bám dính Tác động mao dẫn là sự kết hợp của 2 lực: lực dính kết giữa các phân tử cùng loại và lực bám dính giữa phân tử của chất thấm với phân tử của vật Sức căng bề mặt là ví dụ về lực dính kết Tác động làm ướt là ví

dụ về lực bám dính Các tính chất trên quyết định độ nhạy kiểm tra

Chất thẩm thấu sử dụng trong kiểm tra có sức căng bề mặt thấp, độ ướt cao và độ bám dính trung bình, độ nhạy ≤ 1mm Hiện tượng thấm và rò rỉ chất thẩm thấu lỏng

là hiện tượng mao dẫn ngược làm cho chất thẩm thấu có thể hiện ra bề mặt hoặc rò

rỉ Bề mặt ảnh hưởng đến tốc độ lan truyền, nhiệt độ và chất bẩn hoá học có thể ảnh hởng đến đặc tính màu sắc của chất thẩm thấu, nước ảnh hưởng đến tốc độ thẩm thấu

1

Hình 1: Các bước cơ bản của phương pháp kiểm tra thẩm thấu

9.3 Chất thẩm thấu và các tính chất

9.3.1 Độ nhớt

Lực ma sát giữa hai lớp chất lỏng chuyển động với vận tốc khác nhau ảnh hưởng đến tốc độ thấm, không ảnh hưởng đến khả năng thấm Độ nhớt cao cho tốc độ thấm thấp, độ nhớt thấp cho độ lan toả nhanh nên chất thẩm thấu dễ bị chảy tuột khỏi khuyết tật nông

9.3.2 Sức căng bề mặt

Đặc tính quan trọng nhất của chất thẩm thấu là sức căng mặt ngoài Các dung môi có sức căng bề mặt lớn hoà tan dễ dàng các chất thẩm thấu Các dung dịch có sức căng bề mặt thấp dễ thấm và loang nhanh

Hình 2: Góc tiếp xúc của một số loại dung dịch

Chất thẩm thấu phải là dung dịch ít bay hơi Vì nếu dung dịch bay hơi quá nhanh

có thể làm mất cân bằng công thức hoá học và do đó có thể gây tái tạo pha, giảm khả năng lan rộng và làm chất thẩm thấu dễ khô

9.3.6 Điểm bốc cháy

Điểm bốc cháy của một dung dịch là nhiệt độ thấp nhất mà dung dịch chuyển thành chất dễ bốc cháy.Nhiệt độ của vật kiểm và khu vực cần thấp hơn điểm bốc cháy Điểm bốc cháy của một số dung môi làm sạch được cho trong bảng 1

9.3.7 Tính trơ hoá học và các tính chất ăn mòn:

Chất thẩm thấu phải là chất không gây ăn mòn đối với vật liệu kiểm tra hoặc bình chứa Trong trường hợp làm việc với các bình chứa oxy lỏng, cần phải lựa chọn các chất thẩm thấu không tác dụng với chất này Như vậy đặc trưng của một chất thẩm thấu không phải được quyết định bởi một đặc tính riêng biệt nào đó và để có được một chất thẩm thấu tốt cần kết hợp hài hoà các thành phần và các tính chất kể trên

3

Dung môi Điểm bốc cháy Chuẩn Federal 1977 (b, c)

Hydrocarbon chứa Clo

Trichorotrifluoroethane None None 1000 7600

9.4.2 Hệ thống thẩm thấu

9.4.2.1.Các hệ thống thẩm thấu huỳnh quang rửa bằng nước

Hệ thống này còn gọi là hệ thống tự nhũ tương hoá Chúng gồm chất thẩm thấu

có thể rửa trực tiếp bằng nước Quy trình kiểm tra dùng hệ thống này được minh hoạ

ở hình 3

5

dung môi Loại bỏ

Chất hiện (không có nước)

Chất hiện ướt Sấy khô

Đưa vào sử dụng

Làm sạch Sửa

Đạt

Hoá chất

H ình 3: Quy trình kiểm tra dùng hệ thống thẩm thấu rửa bằng nước

9.4.2.2.Hệ thống huỳnh quang hậu nhũ tương hoỏ

Hệ thống này gồm chất thẩm thấu khụng chứa tỏc nhõn gõy nhũ tương Khi dựng vào bề mặt đối tượng kiểm tra và sau một thời gian thấm thớch hợp, chất thẩm thấu

sẽ được nhũ tương hoỏ và sau đú sẽ được rửa đi bằng nước Quy trỡnh kiểm tra dựng

hệ thống nàyđược minh họa ở hỡnh 4

Làm sạch Dung môi Khắc axit Làm khô

Lắc đều

Nhũ tương hoá

Rửa với nước

Nhũ tương hoá

Lắc đều

Đưa vào sử dụng

9.4.2.3.Hệ thống huỳnh quang rửa bằng dung môi

Hệ thống này dùng hạn chế vào các phép kiểm tra điểm hoặc khi mà phương pháp rửa bằng nước không thực hiện được Với hệ thống này, chất thẩm thấu dư được lấy đi theo 2 bước và được mô tả như trên hình 5:

9.4.3 Hệ thống thẩm thấu khả kiến

a Các chất thẩm thấu khả kiến rửa bằng dung môi được sử dụng rộng rãi nhất Có 3

loại chất thẩm thấu được dùng là loại có điểm bắt lửa thấp, loại có điểm bật lửa cao, loại không cháy Ưu điểm của chất thẩm thấu khả kiến là đơn giản trong sử dụng,

có thể áp dụng ở mọi nơi, không đòi hỏi nguồn điện và thiết bị

b Chất thẩm thấu khả biến rửa bằng nước có độ nhạy thấp, số lượng kiểm tra lớn.

c Chất thẩm thấu khả biến hậu nhũ tơng hoá có độ nhạy cao, số lượng kiểm tra lớn.

9.5 Thiết bị và vật tư kiểm tra thẩm thấu

7

Hình 4: Quy trình kiểm tra dùng hệ thống thẩm thấu nhũ tương hoá

Lµm s¹ch ThÊm axit XÊy kh«

ThÊm dung m«i

Lo¹i chÊt thÊm d­ b»ng dung m«i

Áp dụng chất hiện (phi thuỷ)

KiÓm tra

Söa ch÷a PhÕ liÖu

Lµm s¹ch đưa vào sử dụng Qu¸ tr×nh thÊm

H ình 5: Quy trình kiểm tra thẩm thấu rửa bằng dung môi

9.5.1 Thiết bị cố định

9.5.1.1 Các trạm làm việc

Cơ cấu và bố trí của trạm làm việc phụ thuộc vào mỗi loại thẩm thấu và dây chuyền sản xuất sử dụng Thiết bị sử dụng hệ thống thẩm thấu hậu nhũ tương hoá gồm các thành phần (trạm làm việc) chính sau đây (hình 6):

+ Trạm tiền làm sạch ( thường ở xa trạm thẩm thấu )

+ Trạm sấy khô (thường dùng tủ sấy)

+ Trạm kiểm tra ( buồng tối với các nguồn sáng đen )

+ Trạm làm sạch sau khi kiểm tra ( thường ở xa trạm kiểm tra )

9.5.1.2 Các thiết bị phụ trợ

a Thiết bị phun tĩnh điện

Các chất thẩm thấu và chất hiện đều có thể áp dụng bằng thiết bị phun tĩnh điện

Cơ chế hoạt động của thiết bị được dựa trên định luật cơ bản của trường tĩnh điện: các hạt mang điện trái dấu thì hút nhau Trong thực tế, trường điện từ được tạo bởi hiệu điện thế giữa vật kiểm tra (được nối đất) và súng phun được nối với nguồn điện ( hình 7)

Trạm thẩm

thấu

Trạm hiện

Trạm rũ Trạm điều khiển

Hình 6: Các trạm làm việc của thiết bị kiểm tra thẩm thấu cố định

Phương pháp phun tĩnh điện có các ưu điểm đặc biệt là tốc độ phun cao: toàn

bộ bề mặt của các cánh quạt dài 2,5m có thể được thấm bằng chất thẩm thấu chỉ trong vòng 10-15 giây Kinh tế: tạo được lớp phủ đều, mỏng và sử dụng rất thuận tiện, không gây phun quá liều An toàn: không gây bụi ngay cả khi dùng với chất thẩm thấu khô

b Nguồn sáng đen

Thông thường nguồn gồm một biến áp điều chỉnh dòng, một bóng đèn thuỷ ngân cao áp và bộ màn lọc Biến áp thường được thiết kế riêng biệt còn bóng đèn và màn lọc được lắp vào một chao đèn phản xạ (hình 8) Để kiểm tra, đèn phải đảm bảo tạo được cường độ ánh sáng ở bề mặt của vật ít nhất là 800µW/cm2 Màng lọc mầu đỏ tía được thiết kế để cho qua các bước sóng tử ngoại nằm trong vùng 320-400 nm và cản trở các tia tử ngoại có hại và các ánh sáng khác Các chất huỳnh quang dùng trong chất thẩm thấu huỳnh quang nhậy nhất với ánh sáng tử ngoại có bước sóng vào

tĩnh điện bằng tay

Buồng phun

Mở băng tải nếu được yêu cầu

Ánh sáng đen huỳnh quang Vòi dẫn khí

Máy lọc chiết/

Máy điều khiển

Hình 7: Thiết bị phun tĩnh điện

Máy biền thế

Vỏ bảo vệ Bóng đèn đầu lọc

Hình 8: Nguồn sáng đen

Để đảm bảo an toàn, trong khi dùng không được chiếu trực tiếp đèn vào tay hay vào mắt Để quan sát các khuyết tật, đèn và vật phải được đặt trong một buồng tối (hình 9) Khi quan sát, cần ít nhất 5 phút để cho mắt làm quen với điều kiện tối

Vì công suất của đèn biến đổi mạnh theo thời gian sử dụng nên thường xuyên phải hiệu chỉnh và nếu cần thì có thể thay bóng đèn Đồng hồ bấm giây dùng để xác định thời gian thấm, thời gian hiện.v.v Nhiệt kế và bình ổn nhiệt dùng để xác định nhiệt

độ của vật, nhiệt độ của nước làm sạch, nhiệt độ sấy khô v.v

9.5.2 Thiết bị xách tay

9.5.2.1 Bộ đồ nghề dùng chất thẩm thấu khả kiến

Bộ đồ nghề dùng chất thẩm thấu khả kiến gồm một hộp bằng tôn đựng các thứ sau (hình 10): bình làm sạch bằng dung môi, bình đựng chất thẩm thấu khả kiến, bình đựng chất hiện, khăn thấm và bàn chải

9.5.2.2 Bộ đồ nghề dùng chất thẩm thấu huỳnh quang

Bộ đồ nghề này kết hợp được cả khả năng xách tay và khả năng nhìn thấy rõ nhờ dùng chất thẩm thấu huỳnh quang Thông thường chúng bao gồm một hộp bằng tôn với các thứ sau (hình 11): nguồn sáng đen, chất làm sạch bằng dung môi, chất thẩm

Hình 9: Buồng tối dùng để quan sát chỉ thị thẩm thấu

Hình 10: Bộ đồ nghề dùng chất thẩm

thấu huỳnh quang, chất hiện ướt không chứa nước, chất hiện dạng bột khô, khăn thấm và bàn chải, buồng tối dùng khi quan sát các chỉ thị khuyết tật.

9.6 Các phương pháp làm sạch

a) Dùng các chất tẩy rửa: có thể dùng các chất thuộc loại kiềm, trung tính hoặc

axit, nhưng không được gây ăn mòn cho đối tượng Thời gian làm sạch khoảng từ 10-15 phút, ở nhiệt độ 70-90oC nồng độ 35-50 kg/m3

b) Dùng dung môi: dung môi không có chất cặn (có điểm bắt lửa >90oC), dùng để tẩy rửa các vết dầu mỡ nhưng thường không tẩy được chất bẩn bùn đất

c) Tẩy hơi: dùng để tẩy rửa các vết dầu mỡ nặng, có thể làm sạch vết bẩn bùn đất d) Dung dịch axit: Các lớp mỏng ôxit có thể ăn mòn và sau đó rửa sạch bằng các

dung dịch thích hợp

e) Các chất tẩy sơn: Các lớp sơn có thể tẩy bằng các dung môi tẩy sơn Trong mọi

trường hợp phải tẩy sạch hoàn toàn lớp sơn Sau khi tẩy, đối tượng phải được rửa kỹ

để loại bỏ các chất bẩn và sau đó phải được sấy khô hoàn toàn

g) Rửa siêu âm: Có thể dùng với tất cả các chất tẩy rửa kể trên để tăng hiệu suất tẩy

rửa và giảm thời gian thực hiện

Các phương pháp làm sạch bề mặt không dùng phun cát, phun bi, cạo gỉ bằng cơ khí Ảnh hưởng của các phương pháp trên lên khả năng phát hiện các khuyết tật bề mặt được minh hoạ trong hình 12 Trước khi áp dụng chất thẩm thấu, bề mặt kiểm tra phải được làm khô hoàn toàn, không được để nước và các dung môi có mặt bên trong và xung quanh các khuyết tật Có thể làm khô bằng cách sấy vật với đèn hồng ngoại, dùng tủ sấy, hoặc dùng luồng không khí nóng thổi vào vật

11

Hình 11: Bộ đồ nghề dùng chất thẩm thấu huỳnh quang

9.7 Các kỹ thuật áp dụng chất thẩm

Đưa chất thẩm thấu vào bề mặt của vật có thể thực hiện bằng cách nhúng vật vào

bể chứa chất thẩm thấu, dùng bình phun tĩnh điện hay bình xịt thông thường hoặc dùng chổi quét dù được tiến hành bằng phương pháp nào, ta đều cần đảm bảo bề mặt của vật được làm ướt đều bằng chất thẩm thấu trong suốt thời gian thấm phải đảm bảo thời gian thấm đủ lớn để chất thẩm thấu có thể thấm vào sâu trong các khuyết tật Trong trường hợp nghi ngờ, có thể dùng thời gian thấm lâu hơn hoặc cho thêm chất thẩm thấu để đảm bảo phát hiện hết các khuyết tật có thể nung vật kiểm tra lên đến 65oc trước khi đưa chất thẩm thấu vào để tăng thêm độ nhậy của các chất thẩm thấu khi làm việc với bình xịt, cần phải làm việc trong buồng bảo vệ kín và có

hệ thống thông hơi tốt để tránh độc hại cho người dùng

chất thẩm thấu (a-c)

chất thẩm thấu khả kiến

chất thấm huỳnh quang rửa bằng nước có độ nhạy thấp

chất thấm huỳnh quang hậu nhũ tương hoá hoặc dung môi

chất thấm huỳnh quang rửa bằng nước có độ nhạy cao

Bảng 2: thời gian thẩm thấu tối thiểu khuyến cáo cho các loại vật liệu và

khuyết tật thường gặp.

(a) thời gian thẩm thấu được sử dùng ở nhiệt độ từ 16-38oc (60-100of) trên 38oc (100of) sử dụng tất cả bảng thời gian ở trên, ngoại trừ thời gian thẩm thấu ở mức tối thiểu 2 phút theo yêu cầu.từ 2-16oc (35-66òf) cùng là khoảng thời gian thẩm thấu nhỏ nhất việc kiểm tra ở nhiệt độ nhỏ hơn 2oc (35of) không được phép ngoại trừ bên đối tác yêu cầu

(b) tất cả thời gian trên phù hợp với các loại hợp kim khác với hợp kim titan với hợp kim titan, thời gian ngưng tụ thẩm thấu nhỏ nhất bằng hai lần thời gian ngưng tụ ở bảng trên hay là bằng 30 phút đó là mức giới hạn nhỏ nhất

(c) tất cả thời gian được đưa ra là nhỏ nhất

(d) thời gian thẩm thấu nhỏ nhất với những mối hàn thép là 60 phút, với mỗi mối hàn khác là 30 phút

9.8 Loại bỏ chất thẩm thấu dư

9.8.1 Cơ chế nhũ tương hoá chất thẩm thấu

9.8.1.1 Chất gây nhũ tương thuộc loại dầu nhờn

Khi chất gây nhũ tương này được đưa vào lớp ngoài của bề mặt của chất thẩm thấu, quá trình pha trộn hoặc khuyếch tán xảy ra quá trình khuyếch tán diễn ra theo hai chiều: chất gây nhũ tương khuyếch tán vào lớp thẩm thấu và ngược lại, chất thẩm thấu cũng khuyếch tán ra chất gây nhũ tương quá trình diễn ra cho đến khi cân bằng kết quả là tạo được một lớp mỏng chất thẩm thấu có thể rửa bằng nước Để chất gây nhũ tương hoạt động có chọn lọc, quá trình khuyếch tán cần phải được dừng lại khi chất gây nhũ tương vừa nhũ tương hoá hết chất thẩm thấu dư trên bề mặt, còn chất thẩm thấu trong các khuyếch tật vẫn chưa bị tác động (hình 13)

13

a) cơ chế hoạt động của chất gây nhũ tương loại dầu nhờn

Hình 13: cơ chế hoạt động với chất gây nhũ tương: (a) dầu nhờn và (b) ưa nước

b) cơ chế hoạt động của chất gây nhũ tương loại ưa nước

9.8.1.2 Chất gây nhũ tương thuộc loại nước

Cơ chế với chất gây nhũ tương này tương tự như của các chất tẩy rửa chúng kết hợp với chất thẩm thấu và biến chất này thành loại tan trong nước hoặc có thể rửa bằng nước (hình 14)

chất

thẩm thấu

áp dụng chất thấm

ngâm trong chất nhũ tương hoá khuếch tán và nhũ tương hoá

làm sạch

bề mặt

rửa bằng nước

quá trình trộn và nhũ tương hoá

khuyếch tán

áp dụng chất thấm

hoà tan và khuyếch tán

Áp dụng chất gây nhũ tương

Hình 14: cơ chế hoạt động với chất gây nhũ tương: (a) dầu nhờn và (b) ưa nước

9.8.2 Kiểm soát thời gian gây nhũ tương

Kiểm soát chặt chẽ thời gian nhũ tương hoá là chức năng định giờ quan trọng nhất trong quá trình kiểm tra thẩm thấu Thời gian gây nhũ tương quá ngắn sẽ gây nên nền phông của các chất thẩm thấu dư quá cao Còn thời gian gây nhũ tương quá dài làm giảm độ tương phản và khả năng phát hiện các khuyết tật

9.8.3 Các điều kiện ảnh hưởng đến sự lựa chọn thời gian gây nhũ tương

Nên lựa chọn thời gian gây nhũ tương dựa vào các yếu tố ảnh hưởng như: loại thẩm thấu và chất gây nhũ tương sử dụng, loại bề mặt của vật kiểm tra, công suất đòi hỏi, chế độ rửa sau đó, thời gian gây nhũ tương tối ưu thường được xác định bằng thực nghiệm

9.8.4 Kỹ thuật làm sạch đối với chất gây nhũ tương thuộc dạng nước

Kỹ thuật này gồm hai bước đầu tiên ta dùng vòi nước rửa đi phần thẩm thấu bị nhũ tương hoá trên bề mặt sau đó lớp mỏng chất thẩm thấu dư còn lại ta dùng khăn khô lau nhẹ (hình 15)

Hình 15:Tẩy rửa chất thẩm thấu bị nhũ tương hoá bằng nước

9.8.5 Nhận dạng và sử dụng an toàn chất gây nhũ tương hoá

Các chất gây nhũ tương thường chứa các dung môi hữu cơ Chúng thường rất độc và dễ cháy, dễ bay hơi và có hại Các chất gây nhũ tương thường có màu đỏ dưới ánh sáng ban ngày và màu hồng chanh dưới ánh sáng đen

15

Chất thẩm thấu không bị nhũ tương hoá và rửa trôi

Nước ấm được phun vào ở

45 o c để làm sạch phần nhũ tương hoá trên bề mặt