Cơ Sở Kĩ Thuật Kiểm Tra Bột Từ

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

C¬ së kü thuËt kiÓm tra bét tõ

mở đầu

1 Nguyên lý của phơng pháp kiểm tra bột từ

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

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

1.1.Nam châm

Hình 1: Nam châm thẳng với các cực bắc(N) và nam(B)

đờng sức từ

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)

nam châm

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).

1.2 Từ thông và thông lợng từ

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=108maxwell

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

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)

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)

1.3 Mật độ từ thông và các đơn vị đo

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)

+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 tr ờng 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

1.5 Cách chế tạo nam châm vĩnh cửu

a) b)

S

S

một nam châm hoàn chỉnh Các cực khác tên thì hút nhau, cùng tên thì đẩy nhau(hình 4)

S S

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).

1.6 Từ trờng của Trái Đất

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

1.7 Nguồn gốc của từ trờng

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).a) b)

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)

1.8 Các loại từ trờng

1.8.1 Từ trờng vòng

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

a)

b)

Hạt từ

Hình 7: Từ trờng trong các dạng:

a) nam châm móng ngựab) nam châm vòng với khoảng khôngc) nam châm vòng khép kín

d) bột từ bị dính vào vết nứt trong vật nhiễm từ vòng

1.8.2 Từ trờng dọc

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)

a)

b)

c)

Hình 8: Từ trờng dọca) 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

1.8.3 Độ lớn của trờng rò:

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 ờng rò sẽ giảm dần và bị triệt tiêu hoàn toàn khi khuyết tật nằm song song với các đờng từ thông

Tr-1.8.4 Sự tạo thành các chỉ thị từ

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

1.9 Cảm ứng điện từ

i

Từ trường

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

1.9.1 Nam châm điện

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)

Hình 10: Thí nghiệm của Oersted

b)

cuộn dây thành một nam châm có các cực ở mỗi đầu, giống nh một nam châm thẳng.(hình11)

Nam châm này tạo nên một từ trờng dọc bên trong cuộn dây Nếu một thanh sắt non

đợc đa vào trong lòng cuộn cảm và cho dòng điện chạy qua cuộn dây, thanh sắt sẽ bị nhiễm từ mạnh (hình 13)

Khi dòng điện bị ngắt, cuộn cảm và lõi sắt bị mất từ tính Cờng độ của từ trờng phụ thuộc chủ yếu vào:

+ Cờng độ dòng điện

+ Số vòng của cuộn cảm

+ Bản chất của lõi sắt (hệ số từ thẩm)

Cờng độ từ trờng H xuất hiện dọc bên trong cuộn dây khi dòng điện I chạy qua đợc biểu diễn bởi công thức:

H=It/Lvới t: số vòng của cuộn dây

L: Chiều dài của đoạn ống có cuộn dây dẫn

Dòng điện Dòng điện

Hình 12: Quy tắc bàn tay phải chỉ ra hớng đi của thông lợng từ dựa trên hớng của dòng

điện

Hình13: Vật kiểm tra chứa từ trường dọc tạo bởi cuộn cảmDòng điện (ra) Dòng điện (vào)

Nếu đa lõi sắt từ có độ từ thẩm vào bên trong cuộn cảm, mật độ từ thông B xuất hiện trong lõi sắt có thể tính bởi công thức:

B=àH=àIt/Ltrong đó I: dòng điện từ hoá

t: số vòng của cuộn cảm

1.9.2 Tính chất của các vật liệu từ Vòng từ trễ

Mỗi vật liệu từ có tính chất nhất định đặc trng cho vật liệu đó Hầu hết các tính chất từ của một vật liệu đều có thể đợc miêu tả bởi đặc trng của vòng từ trễ Các số liệu cho vòng từ

từ trễ( hình 14)

Hình 14: Vòng từ trễ của vật liệu sắt từ: vòng OA (ngắt quãng) ứng với vật liệu từ nguyên

thuỷ (cha bị từ hoá trớc đó)

Ta thấy quan hệ của B và H là không tuyến tính Bắt đầu từ điểm O (H=0, B=0) và tăng dần H với một lợng nhỏ, B lúc đầu tăng rất nhanh, sau đó chậm dần đến điểm A ở đây vật trở thành bão hoà từ Qua điểm bão hoà, tăng cờng độ từ trờng không làm tăng mật độ từ thông bên trong vật liệu Giảm dần H về không ta thu đợc đờng AB Ta thấy khi H=0 (I=0), thì B≠0 OB đợc gọi là từ d của vật liệu Đổi chiều dòng điện và tiếp tục tăng dòng ta thu đợc

đoạn BC OC đặc trng cho sức kháng từ của vật liệu và đợc gọi là độ kháng từ Tiếp tục tăng

H ta thu đợc DC Tại D mật độ từ thông lại bão hoà Tiếp tục giảm H, ta thu đợc đoạn DE, sau

đó đổi chiều dòng điện và tăng dần, ta thu đợc đoạn EF và FA Từ thẩm là một trong các tính chất quan trọng nhất của vật liệu từ và đợc ký hiệu là à.

Khi nói từ thẩm của một vật liệu nào đó ta ám chỉ giá trị cực đại à của vật liệu đó (Hình 15)

Các vật liệu sắt non ( thép có thành phần cácbon thấp ) có à lớn, từ d nhỏ, hệ số kháng từ thấp

và do đó đờng cong từ trễ hẹp

Các vật liệu sắt non có từ thẩm nhỏ, hệ số kháng từ cao, đờng cong từ trễ rộng (hình 16)

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 là cao nhất khi từ trờng vuông góc với trục chính của khuyết tật, nên phơng pháp từ hoá phải chọn sao cho các đờng từ thông tạo thành có hớng vuông góc với trục chính của các khuyết tật cần phát hiện Khi cần kiểm tra các khuyết tật có hớng khác nhau, ta cần phải từ hóa vật nhiều lần để tạo ra các đờng từ thông có các hớng khác nhau Tuy nhiên, đối với phần lớn công việc, ta chỉ cần từ hóa hai lần là đủ Trong lần từ hóa thứ hai, ta

sử dụng 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

Đối tợng kiểm tra từ hoá theo phơng pháp 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

Hình 17: Từ trường vòng xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua

Vật kiểm tra Dòng điện từ

hoá

Dòng điện từ hoá

Dòng điện chạy qua vật dẫn thẳng tạo nên từ trường vòng xung quanh và trong vật dẫn (hình 17)

Vật kiểm tra

Khi dòng điện dùng để từ hoá chạy trực tiếp qua vật kiểm tra nh hình 18, ta gọi đó là

từ hoá trực tiếp Từ hoá vòng các vật dẫn đặc thờng áp dụng phơng pháp này Việc xác định

độ lớn của dòng thích hợp cho phép kiểm tra là cần thiết vì:

+ Dòng cao quá có thể làm nóng chảy vật kiểm tra hoặc làm cho bột từ tích tụ quá dày

đặc tạo nên nền phông quá cao

+ Dòng yếu quá có thể sẽ không tạo nên đợc từ trờng dò đủ mạnh để có thể hút các sắt từ

Để xác định đợc cờng độ dòng thích hợp, tốt nhất là dùng các mẫu chuẩn có các khuyết tật cho trớc, Tuy nhiên cũng có thể áp dụng quy tắc đơn giản sau: 800-1000 A cho mỗi

inch (25mm) đờng kính hay chiều dày của vật

Đối với đối tợng kiểm tra là đờng ống hoặc vật rỗng, mặt trong của vật cũng có vai trò quan trọng nh mặt ngoài Đối với các đối tợng nh vậy, nếu từ hóa trực tiếp, ta sẽ không có khả năng phát hiện các khuyết tật nằm phía mặt trong của đối tợng do hiệu ứng vỏ của dòng

điện

Ta có thể từ hoá vật rỗng hoặc đờng ống bằng cách luồn một thanh dẫn điện vào trong

đờng ống và cho dòng điện chạy qua thanh (hình 19) Phơng pháp này gọi là từ hoá gián tiếp

Nếu không có thanh dẫn, ta có thể dùng chính dây dẫn luồn qua vật Có thể gấp dây dẫn nhiều lần để tăng hiệu ứng từ hoá Quy tắc 800-1000 A cho mỗi inch (25mm) đờng kính hay chiều dày của vật cũng đợc áp dụng cho phơng pháp từ hoá này

Chú ý với đờng ống dài, các thanh dẫn không bọc không đợc phép dùng vì nguy cơ

Từ trư

Vết nứt

Dòng