Na czym polegają badania wiroprądowe?

Badania wiroprądowe należą do metod nieniszczących, które pozwalają wykrywać nieciągłości materiału bez jego cięcia, wiercenia czy uszkadzania powierzchni. Wykorzystują one zjawisko indukcji elektromagnetycznej i znajdują zastosowanie przede wszystkim przy kontroli elementów wykonanych z materiałów przewodzących prąd elektryczny. Metoda umożliwia wykrywanie między innymi pęknięć, ubytków korozyjnych czy zmian właściwości materiału. To sprawia, że badania wiroprądowe stosuje się zarówno podczas kontroli jakości nowych wyrobów, jak i przy ocenie stanu elementów już pracujących.

Zasada działania metody wiroprądowej (ET)

Badania wiroprądowe (ET – Eddy Current Testing) opierają się na oddziaływaniu pola elektromagnetycznego z badanym materiałem. Do powierzchni kontrolowanego elementu zbliża się sondę wyposażoną w cewkę, przez którą przepływa prąd przemienny. Powstające pole magnetyczne indukuje w materiale prądy wirowe. Ich rozkład zależy między innymi od rodzaju materiału, jego przewodności elektrycznej, geometrii oraz odległości sondy od powierzchni.

Jeżeli w kontrolowanym obszarze znajduje się pęknięcie albo inna nieciągłość, przepływ prądów wirowych zostaje zaburzony. Aparatura rejestruje zmianę sygnału elektrycznego cewki, a operator na tej podstawie ocenia wskazania. Metoda nie wymaga nanoszenia środka sprzęgającego ani bezpośredniego kontaktu sondy z powierzchnią. W wielu zastosowaniach wystarczy przesuwanie jej w niewielkiej odległości nad kontrolowanym elementem.

Co można wykryć podczas badania?

Zakres wykrywania zależy od rodzaju sondy, częstotliwości badania, materiału i geometrii elementu. Badania wiroprądowe wykorzystuje się między innymi do identyfikacji:

• pęknięć powierzchniowych i znajdujących się blisko powierzchni,
• ubytków materiału powstałych wskutek korozji,
• porów i innych nieciągłości,
• rozwarstwień w określonych materiałach i konfiguracjach,
• zmian grubości lub właściwości badanego materiału,
• różnic w przewodności elektrycznej,
• niektórych wad związanych z obróbką lub eksploatacją elementu.

W praktyce metoda jest szczególnie przydatna tam, gdzie trzeba szybko przeskanować dużą liczbę podobnych części albo kontrolować miejsca trudno dostępne dla innych technik.

Jak przebiega badanie wiroprądowe?

Przed rozpoczęciem kontroli należy określić rodzaj materiału, geometrię elementu oraz spodziewane rodzaje nieciągłości. Na tej podstawie dobiera się sondę, częstotliwość pracy i pozostałe parametry pomiaru. W przypadku badań prowadzonych według określonej procedury aparaturę również odpowiednio się konfiguruje i kalibruje. Sam pomiar można przedstawić w kilku etapach:

• przygotowanie powierzchni – usuwa się zabrudzenia, luźne naloty lub inne zanieczyszczenia, które mogłyby utrudniać prowadzenie sondy,
• dobór parametrów – operator ustala częstotliwość, rodzaj sondy oraz sposób skanowania odpowiedni dla badanego elementu,
• kalibracja – sprawdza się reakcję układu na wzorcu odniesienia zawierającym określone nieciągłości,
• skanowanie – sonda jest przesuwana po wyznaczonym obszarze albo prowadzona wzdłuż kontrolowanego elementu,
• analiza wskazań – sygnały odbiegające od przyjętego poziomu są oceniane pod kątem ich charakteru i położenia,
• dokumentacja wyników – wyniki badania są zapisywane zgodnie z przyjętą procedurą i wymaganiami dla danego elementu.

Ważne jest nie tylko samo zarejestrowanie zmiany sygnału. Operator musi również rozróżnić wskazanie pochodzące od rzeczywistej nieciągłości od sygnału wywołanego na przykład zmianą geometrii, odległości sondy od powierzchni czy właściwości materiału.

Dlaczego prądy wirowe pozwalają wykrywać wady?

Zasada działania metody wynika z indukcji elektromagnetycznej. Cewka sondy wytwarza zmienne pole magnetyczne, które oddziałuje na przewodzący materiał. W jego obrębie powstają zamknięte obwody prądów wirowych. Ich przepływ nie jest przypadkowy. Gdy materiał pozostaje jednorodny, rozkład prądów utrzymuje się na względnie stabilnym poziomie. Pęknięcie przecinające ich drogę powoduje natomiast zmianę impedancji cewki.

Aparatura pomiarowa rejestruje tę zmianę i przedstawia ją operatorowi w postaci sygnału. Na głębokość oddziaływania prądów wirowych wpływa przede wszystkim częstotliwość. Wyższa częstotliwość powoduje silniejszą koncentrację prądów przy powierzchni, natomiast jej obniżenie pozwala zwiększyć głębokość penetracji. Nie oznacza to jednak, że jedna częstotliwość będzie odpowiednia dla każdego materiału i rodzaju wady.

Jakie materiały można badać metodą wiroprądową?

Warunkiem zastosowania klasycznych badań wiroprądowych jest przewodność elektryczna materiału. Dlatego metoda dobrze sprawdza się między innymi w przypadku metali.

Materiał/grupa materiałów	Przykładowe zastosowanie
Aluminium i jego stopy	Kontrola elementów lotniczych, profili i części konstrukcyjnych
Stal i wybrane stopy	Wykrywanie pęknięć oraz kontrola powierzchni
Miedź i jej stopy	Kontrola rur, przewodów i elementów wymienników
Stopy niklu	Badania elementów pracujących w wymagających warunkach
Tytan i jego stopy	Kontrola części przemysłu lotniczego i maszynowego

Metoda może być również stosowana do oceny powłok oraz rozdzielania materiałów o różnej przewodności elektrycznej. W takich zastosowaniach pomiar nie ogranicza się więc wyłącznie do poszukiwania pęknięć.

Od czego zależy dokładność badania?

Wynik badania wiroprądowego zależy od znacznie większej liczby czynników niż samo przesunięcie sondy po powierzchni. Znaczenie ma przede wszystkim właściwy dobór parametrów do badanego elementu. Wpływ mogą mieć:

• częstotliwość prądu – decyduje między innymi o głębokości penetracji,
• rodzaj i kształt sondy – dobiera się je do geometrii oraz rodzaju kontroli,
• przewodność materiału – wpływa na sposób rozchodzenia się prądów wirowych,
• przenikalność magnetyczna – szczególnie istotna przy badaniu materiałów ferromagnetycznych,
• odległość sondy od powierzchni, czyli lift-off,
• geometria badanego elementu – krawędzie, otwory, zmiany przekroju czy nierówności mogą generować własne wskazania,
• prędkość skanowania – zbyt szybkie prowadzenie sondy może utrudnić rejestrację niektórych sygnałów.

Z tego powodu interpretacja wskazań wymaga doświadczenia i znajomości specyfiki badanego materiału. Sam fakt pojawienia się sygnału na ekranie nie oznacza jeszcze, że wykryto wadę.

Gdzie wykorzystuje się badania wiroprądowe?

Zakres zastosowań tej metody jest szeroki. W lotnictwie wykorzystuje się ją do kontroli elementów konstrukcyjnych i miejsc narażonych na powstawanie pęknięć zmęczeniowych. W energetyce i przemyśle procesowym może służyć do kontroli rur wymienników ciepła oraz innych cienkościennych elementów. Badania wiroprądowe stosuje się także w:

• przemyśle motoryzacyjnym przy kontroli części i połączeń,
• hutnictwie oraz produkcji wyrobów metalowych,
• przemyśle maszynowym,
• energetyce,
• produkcji rur i przewodów,
• utrzymaniu ruchu,
• kontroli jakości podczas produkcji seryjnej.

Szczególnie interesujące są zastosowania automatyczne. Sondy mogą być prowadzone przez układy skanujące, dzięki czemu możliwa jest kontrola dużej liczby elementów według tych samych parametrów. Ma to znaczenie w produkcji seryjnej, gdzie powtarzalność pomiaru jest równie istotna jak jego szybkość.

Badania wiroprądowe a inne metody NDT

Badania wiroprądowe nie zastępują wszystkich pozostałych metod badań nieniszczących. Ich zaletą jest natomiast możliwość bezkontaktowego wykrywania zmian w materiałach przewodzących, bez konieczności nanoszenia cieczy na badaną powierzchnię. Wybór techniki zależy od rodzaju elementu i spodziewanej wady:

Metoda	Typowe zastosowanie	Charakterystyczna cecha
Wiroprądowa (ET)	Metale i inne materiały przewodzące	Szybka kontrola powierzchni i strefy przypowierzchniowej
Ultrasonograficzna (UT)	Elementy metalowe i kompozytowe	Możliwość badania większej głębokości materiału
Magnetyczno-proszkowa (MT)	Materiały ferromagnetyczne	Wykrywanie nieciągłości powierzchniowych i przypowierzchniowych
Penetracyjna (PT)	Materiały nieporowate	Wykrywanie otwartych na powierzchnię nieciągłości
Radiograficzna (RT)	Różne elementy i połączenia	Obrazowanie wewnętrznej struktury badanego obiektu

Porównanie nie oznacza, że jedna metoda jest uniwersalnie lepsza od pozostałych. Przykładowo badania wiroprądowe mogą być bardzo skuteczne przy wykrywaniu niewielkich pęknięć powierzchniowych, ale ich zastosowanie do materiałów nieprzewodzących jest ograniczone. W przypadku wad położonych głęboko wewnątrz grubego elementu bardziej odpowiednia może okazać się ultrasonografia.

Jakie są zalety i ograniczenia badań wiroprądowych?

Do najważniejszych zalet tej techniki należy brak konieczności niszczenia badanego elementu. Pomiar może być wykonywany szybko, a w wielu przypadkach także bez bezpośredniego kontaktu sondy z powierzchnią. Metoda pozwala również na automatyzację kontroli i rejestrowanie wyników, co ułatwia późniejszą analizę. Metoda pozwala również na automatyzację kontroli i rejestrowanie wyników, co ułatwia późniejszą analizę. Nie jest jednak pozbawiona ograniczeń. Przede wszystkim znajduje zastosowanie głównie w przypadku materiałów przewodzących prąd elektryczny, takich jak stal, aluminium, miedź czy nikiel, dlatego nie można jej wykorzystać do bezpośredniego badania materiałów nieprzewodzących, np. tworzyw sztucznych czy ceramiki.

Wynik może być także zakłócany przez geometrię elementu, zmianę odległości sondy czy właściwości materiału. W przypadku grubych elementów głębokość skutecznego badania jest ograniczona przez zjawisko naskórkowości. Dlatego przed rozpoczęciem kontroli trzeba określić, jakiego rodzaju wada ma zostać wykryta i na jakiej głębokości może występować. Dopiero wtedy można właściwie dobrać technikę pomiarową.

Czy badania wiroprądowe wymagają specjalistycznej aparatury?

Do wykonania profesjonalnego badania potrzebny jest odpowiedni defektoskop wiroprądowy, właściwie dobrana sonda oraz wzorzec umożliwiający sprawdzenie czułości układu. W zależności od zastosowania mogą być wykorzystywane sondy powierzchniowe, otworowe, przelotowe czy specjalistyczne rozwiązania przeznaczone do kontroli konkretnych elementów.

Istotne jest także przygotowanie osoby wykonującej badanie. Interpretacja sygnałów wymaga znajomości zasad działania metody, charakterystyki materiału oraz potencjalnych źródeł zakłóceń. W zastosowaniach przemysłowych znaczenie mają również odpowiednie procedury i wymagania dotyczące kwalifikacji personelu.

Co otrzymuje się po badaniu?

Efektem kontroli może być zapis wskazań wraz z informacją o miejscu ich wystąpienia, zastosowanych parametrach i wyniku oceny. W zależności od zakresu zlecenia dokumentacja może obejmować także informacje dotyczące aparatury, sondy, wzorca odniesienia oraz warunków wykonania badania.

Taka dokumentacja pozwala nie tylko ocenić stan elementu w momencie kontroli. Przy regularnych przeglądach można porównywać kolejne wyniki i obserwować pojawianie się albo rozwój wskazań w czasie.