Κεφάλαιο 7: Διεισδυτικά Υγρά

Transcript

1 Κεφάλαιο 7: Διεισδυτικά Υγρά Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό καλύπτει τις διαδικασίες που ακολουθούνται για την αύξηση της ευκρίνειας επιφανειακών ρωγμών μέσω προσρόφησης υγρού σε αυτές και δίνονται οι βασικές παραλλαγές της μεθόδου και εφαρμογές. Προαπαιτούμενη γνώση Βασικές γνώσεις τριχοειδών φαινομένων.

2 7.1 Περίληψη Τα Διεισδυτικά Υγρά (ΔΥ) είναι μία μη καταστροφική μέθοδος που βασίζεται στην οπτική παρατήρηση. Τα ΔΥ αυξάνουν την πιθανότητα παρατήρησης ενδείξεων επιφανειακής βλάβης που το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να αντιληφθεί. Αυτό συμβαίνει με τη βοήθεια ενός χρωματισμένου υγρού που προσροφάται από τη ρωγμή και ως εκ τούτου την κάνει πιο ευδιάκριτη (Σχ. 7.1). Σχήμα 7.1 Η ρωγμή στο πιάτο είναι εμφανής λόγω της προσρόφησης υγρού αφού δημιουργεί οπτική αντίθεση (contrast). 7.2 Βασική αρχή Η αρχή της μεθόδου βασίζεται στην εφαρμογή ενός υγρού με υψηλή «διαβροχή». Υγρά με υψηλή διαβροχή έχουν την τάση να καταλαμβάνουν μεγάλη επιφάνεια όταν έρθουν σε επαφή με ένα υλικό (π.χ. νερό σε γυάλινη επιφάνεια), ενώ υγρά με χαμηλή διαβροχή παραμένουν σε σχήμα σταγόνας χωρίς να διαβρέχουν μεγάλη επιφάνεια (π.χ. μέλι ή ακόμα καλύτερα υδράργυρος). Στο Σχ. 7.2 φαίνονται δύο παραδείγματα. Το υγρό (α) έχει υψηλά χαρακτηριστικά διαβροχής και η γωνία θ της εφαπτομένης στη σταγόνα στο σημείο επαφής με το υπόστρωμα είναι σχεδόν μηδέν. Το υγρό (β) έχει χαμηλή διαβροχή και η γωνία θ είναι αμβλεία, που σημαίνει πρακτικά ότι το υγρό δεν απλώνεται εύκολα στην επιφάνεια. Για έλεγχο με ΔΥ πρέπει να χρησιμοποιούνται λεπτόρρευστα υγρά με υψηλή διαβροχή (α) για να καλύπτουν με ευκολία την επιφάνεια του προς εξέταση αντικειμένου 1. Σχήμα 7.2 Υγρό πάνω σε λεία επιφάνεια (α) υψηλή διαβροχή, (β) χαμηλή διαβροχή. Το φαινόμενο που εκμεταλλεύεται η μέθοδος ΔΥ είναι αυτό των «τριχοειδών αγγείων». Όταν ένας λεπτός σωλήνας εισέρχεται σε ένα ρευστό (π.χ. καλαμάκι σε αναψυκτικό), τότε η στάθμη μέσα στο σωλήνα ανεβαίνει υψηλότερα από τη στάθμη έξω από αυτό (Σχ. 7.3α και β). Εφόσον βέβαια το υγρό είναι παχύρευστο θα συμβεί το αντίθετο. Αυτό καθορίζεται από την ισορροπία μεταξύ των δυνάμεων συνοχής (μεταξύ των μορίων του υγρού), συνάφειας (μεταξύ των μορίων του υγρού και του στερεού που το περιβάλλει) και την ατμοσφαιρική πίεση 2. 1

3 Σχήμα. 7.3 Ανύψωση στάθμης σε λεπτό σωλήνα μέσα σε υγρό. (α) Σχηματική αναπαράσταση, (β) Φωτογραφία από ρόφημα καφέ με «καλαμάκι». Όλα τα βήματα της μεθόδου γίνονται βάσει της δράσης των τριχοειδών αγγείων. Είναι το φαινόμενο κατά το οποίο ένα υγρό προωθείται έναντι της βαρύτητας λόγω της διαβροχής της επιφάνειας. Κάποια παραδείγματα περιλαμβάνουν τα φυτά στα οποία γίνεται μεταφορά νερού και θρεπτικών συστατικών πολλά μέτρα ψηλότερα από το επίπεδο των ριζών χωρίς κάποιο άλλο μέσο άντλησης, όπως και το ανθρώπινο σώμα που περιέχει χιλιόμετρα τριχοειδών αγγείων που μεταφέρουν αίμα στους ιστούς. Στην πραγματικότητα όσο μικραίνει η διάμετρος των αγγείων τόσο περισσότερο μπορεί να μεταφερθεί το υγρό Καταλληλότητα υλικών Υλικά που μπορούν να ελεγχθούν με ΔΥ είναι σχεδόν όλα όσα έχουν σχετικά λεία επιφάνεια και χαμηλό πορώδες. Η μέθοδος χρησιμοποιείται κατά κόρον σε μέταλλα αλλά και σε άλλα υλικά όπως θα φανεί από παραδείγματα παρακάτω. Υλικά στα οποία δεν ενδείκνυται η χρήση ΔΥ είναι πορώδη κεραμικά, ξύλο και μέταλλα που κατασκευάζονται από χύτευση σε άμμο. Σε τέτοιου είδους υλικά θα υπάρξει προσρόφηση του ΔΥ σε πολλά σημεία (πόροι, τραχύτητα) και θα προκύψουν λανθασμένες ενδείξεις βλάβης που δεν θα επιτρέπουν την παρατήρηση των πραγματικών ατελειών (οπτικός θόρυβος). Επίσης πλαστικά που απορροφούν το ΔΥ ή αντιδρούν με αυτό όπως και υλικά με επιστρώσεις που δεν επιτρέπουν στο ΔΥ να εισχωρήσει στις ρωγμές δεν μπορούν να ελεγχθούν με τη μέθοδο Ιδιότητες ΔΥ και έλεγχος Τα ΔΥ πρέπει να χαρακτηρίζονται από κάποιες ιδιότητες για να χρησιμοποιηθούν. Πρέπει να: απλώνονται εύκολα στην επιφάνεια του αντικειμένου. προσροφώνται εύκολα μέσα σε επιφανειακές ρωγμές. παραμένουν σε αυτές αλλά να αφαιρούνται από την υπόλοιπη ελεύθερη επιφάνεια. παραμένουν υγρά σε όλη τη διάρκεια του ελέγχου ώστε να μπορούν να προωθηθούν στην επιφάνεια μέσω τριχοειδών φαινομένων. είναι εύκολα οπτικά ανιχνεύσιμα (χρωματισμένα ή και φωσφορίζοντα) για να δίνουν έντονες οπτικές ενδείξεις. μην είναι επιβλαβή για το χειριστή και για το προς εξέταση υλικό. Υπάρχουν 4 επίπεδα ευαισθησίας της μεθόδου: 2

4 Επίπεδο 4 υπερυψηλή ευαισθησία Επίπεδο 3 υψηλή ευαισθησία Επίπεδο 2 μεσαία ευαισθησία Επίπεδο 1 χαμηλή ευαισθησία Όσο υψηλότερο το επίπεδο, τόσο μικρότερο και το μέγεθος ρωγμής που μπορεί να ανιχνευθεί. Αντίστοιχα όμως αυξάνουν και οι πιθανές λανθασμένες, μη σχετικές ενδείξεις. Άρα το επίπεδο ευαισθησίας πρέπει να επιλεγεί ανάλογα με το υλικό (τραχύτητα, πορώδες), τις αναμενόμενες βλάβες και τις συνθήκες. Ο έλεγχος μπορεί να γίνει με απλά ή φωσφορίζοντα ΔΥ. Τα απλά ΔΥ επιθεωρούνται υπό κανονικές συνθήκες φωτισμού, ενώ τα φωσφορίζοντα υπό υπεριώδες φως σε σκοτεινή αίθουσα. Τα απλά ΔΥ αντιστοιχούν στο επίπεδο 1, ενώ τα φωσφορίζοντα φτάνουν μέχρι το 4, διότι το ανθρώπινο μάτι είναι πιο ευαίσθητο σε φωτεινή ένδειξη σε σκοτεινό φόντο Εφαρμογή μεθόδου Τρόπος αφαίρεσης ΔΥ Τα ΔΥ κατηγοριοποιούνται και ανάλογα με τον τρόπο αφαίρεσης της περίσσειας ΔΥ. Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες: ΔΥ που αφαιρούνται με ειδικό διαλύτη. Συνήθως ένα ύφασμα εμποτίζεται με το διαλύτη (σε μορφή υγρού ή σπρέι) και καθαρίζεται η επιφάνεια του υλικού. Το ΔΥ που έρχεται σε επαφή με το διαλύτη απομακρύνεται αλλά το ΔΥ που έχει προσροφηθεί μέσα σε ατέλειες παραμένει εκεί. ΔΥ διαλυτά σε νερό. Αυτά τα ΔΥ αφαιρούνται με ένα απλό σπρέι νερού και είναι τα πιο απλά και οικονομικά στη χρήση για τον έλεγχο μεγάλων επιφανειών Εμφανιστής Ο ρόλος του εμφανιστή είναι να «έλκει» το παγιδευμένο ΔΥ έξω από τη ρωγμή και να το απλώνει στην επιφάνεια ώστε να είναι δυνατή η παρατήρησή του. Επίσης παρέχει ένα ανοιχτόχρωμο φόντο για να αυξήσει την οπτική αντίθεση με το χρώμα του ΔΥ. Εμφανιστές υπάρχουν σε διάφορες μορφές: Σκόνη η οποία υγραίνεται και αλλάζει χρώμα όταν έρθει σε επαφή με το ΔΥ υποδεικνύοντας το σημείο της ρωγμής. Αιώρημα σε νερό που καλύπτει την επιφάνεια και αφήνει ομοιόμορφο στρώμα σκόνης όταν το νερό εξατμίζεται. Διάλυμα σε νερό, όπου όταν το νερό εξατμίζεται παραμένει κρυσταλλική σκόνη. Υγρός εμφανιστής σε σπρέι που είναι ο πιο ευαίσθητος και ακριβός για μικρές επιφάνειες. 7.6 Βήματα μεθόδου Η διαδικασία των ΔΥ περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα (Σχ. 7.4): Βήμα 1: Καθαρισμός και στέγνωμα της επιφάνειας του προς εξέταση υλικού. Τα τεμάχια πρέπει να είναι καθαρά διότι οποιαδήποτε ακαθαρσία (σκουριά, λάδι, γράσο, σκόνη) μπορεί να αποτρέψει τη διείσδυση του ΔΥ σε επιφανειακές ρωγμές. Είναι πολύ σημαντικό μέρος της όλης διαδικασίας. Βήμα2: Εφαρμογή του ΔΥ. Μπορεί να γίνει με βούρτσα, σπρέι, με εμβάπτιση ολόκληρου του τεμαχίου σε δεξαμενή ΔΥ. Υπάρχουν επίσης και ειδικοί μαρκαδόροι με απλά η φωσφορίζονται ΔΥ που εφαρμόζονται απ ευθείας στην περιοχή που γίνεται ο έλεγχος. Ανάλογα με το υλικό και τις συνθήκες πρέπει να υπάρχει χρόνος 3

5 αναμονής (dwelling time) μερικών λεπτών ώστε το ΔΥ να προσροφάται σε επιφανειακές ρωγμές με πολύ μικρό άνοιγμα. Τυπικοί χρόνοι κυμαίνονται από 5 έως και 20 min 5. Βήμα 3: Αφαίρεση (καθαρισμός) της περίσσειας του υγρού από την επιφάνεια. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω μπορεί να γίνει είτε με ειδικό διαλύτη σε πανί είτε με ψεκασμό νερού. Η πίεση δεν πρέπει να είναι υψηλή ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος να ξεπλυθεί και η ποσότητα ΔΥ που βρίσκεται μέσα στις ρωγμές. Στην περίπτωση διαλύτη, τυπικά ένα στεγνό πανί ψεκάζεται με το διαλύτη και κατόπιν καθαρίζεται η επιφάνεια του υλικού με αυτό αφαιρώντας και την περίσσεια ΔΥ. Αφήνεται και πάλι ένας μικρός χρόνος αναμονής για να εξατμιστεί πιθανή ποσότητα διαλύτη που παρέμεινε στην επιφάνεια. Βήμα 4: Εφαρμογή «εμφανιστή» που χρωματίζεται όταν έρθει σε επαφή με το ΔΥ. Αυτός μπορεί να είναι στερεός (σκόνη) ή υγρός. Κατά περίπτωση το τεμάχιο μπορεί να εισαχθεί σε σωρό σκόνης με το χειριστή να βεβαιώνεται ότι έχει έρθει σε επαφή ολόκληρη η επιφάνεια με τη σκόνη. Επίσης μπορεί να ψεκαστεί η σκόνη πάνω στο τεμάχιο ή αυτό να τοποθετηθεί σε θάλαμο διασποράς σκόνης (dust cloud chamber). Σε περίπτωση υγρού εμφανιστή, το τεμάχιο μπορεί να εμβαπτιστεί ολόκληρο ή να γίνει ψεκασμός πάνω στο τεμάχιο. Όταν το τεμάχιο στεγνώσει παραμένει ένα ομοιόμορφο στρώμα σκόνης στην επιφάνεια. Βήμα 5: Οπτική επιθεώρηση του τεμαχίου και απόφαση για την καταλληλότητα χρήσης με βάση τις ενδείξεις βλάβης. Σε αυτό το βήμα ο ελεγκτής παρατηρεί και εκτιμά τις ενδείξεις με βάση συγκεκριμένα κριτήρια αποδοχής/απόρριψης. Οι ενδείξεις μπορεί να είναι σχετικές, μη σχετικές και λανθασμένες. Παραδείγματος χάριν ενδείξεις στη ράχη συγκόλλησης μπορεί να οφείλονται στη μορφολογία αυτής και να μη σχετίζονται με βλάβη. Είναι σημαντική η καταγραφή των ευρημάτων (σημειώσεις, σκίτσα, φωτογραφίες) σε ένα μόνιμο αρχείο που θα συνοδεύει το τεμάχιο ώστε να μπορεί να ακολουθείται η πιθανή ανάπτυξη βλάβης ανάμεσα σε διαφορετικούς ελέγχους στο ίδιο τεμάχιο. Βήμα 6: Καθαρισμός του τεμαχίου. Είναι το τελικό στάδιο και αποσκοπεί στην αφαίρεση όλων των υλικών που εφαρμόστηκαν στον έλεγχο ώστε να μπει το τεμάχιο ξανά σε χρήση. Σχημα 7.4 Αναπαράσταση μεθόδου ΔΥ. 4

6 Συστήματα ελέγχου ΔΥ μπορεί να είναι κινητά ή σταθεροί σταθμοί. Τα κινητά είναι σε μορφή βαλίτσας που περιέχει τα βασικά υλικά (σπρέι ΔΥ, καθαριστικό, διαλύτη, εμφανιστή, προστατευτικά γυαλιά, βουρτσάκι κλπ.). Το πλεονέκτημα των κινητών συστημάτων είναι ότι μπορούν να μεταφερθούν εύκολα ώστε να γίνει έλεγχος επί τόπου εκεί που απαιτείται. Σταθεροί σταθμοί χρησιμοποιούνται όταν πρέπει να γίνονται συνεχώς έλεγχοι σε γραμμή παραγωγής. Τέτοια συστήματα υπάρχουν π.χ. σε υπόστεγα αεροπορικών εταιρειών. Όπως και σε πολλές άλλες μεθόδους και στα ΔΥ χρησιμοποιούνται τα δοκίμια ελέγχου (calibration panels). Αυτά περιέχουν ατέλειες σε διάφορα μεγέθη ώστε να μπορεί να γίνει αντιληπτό το ελάχιστο μέγεθος ατέλειας που μπορεί να ανιχνευθεί (ευαισθησία) υπό τις συγκεκριμένες συνθήκες, π.χ. είδος ΔΥ, εμφανιστή, θερμοκρασία. 7.7 Ιστορικό σημείωμα Ένας από τους πρώτους ελέγχους ΔΥ χρησιμοποιήθηκε στους σιδηροδρόμους κατά το 19ο αιώνα. Κατ αυτή τη μέθοδο, λάδι διαλυόταν σε κηροζίνη σε μεγάλες δεξαμενές έτσι ώστε να εμβαπτίζονται ολόκληρα τεμάχια, όπως τροχοί. Κατόπιν το τεμάχιο καθαριζόταν και διαβρεχόταν με ένα διάλυμα κιμωλίας σε αλκοόλη. Όταν η αλκοόλη εξατμιζόταν ένα λευκό στρώμα κιμωλίας έμενε στην επιφάνεια. Μετά, εφαρμοζόταν ταλάντωση στο τεμάχιο με χτύπημα σφυριού, κατά την οποία το λάδι που είχε προσροφηθεί στις ρωγμές εμφανιζόταν στην επιφάνεια κηλιδώνοντας το λευκό στρώμα κιμωλίας και έτσι κάνοντας ορατή τη ρωγμή. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείτο μέχρι το 1940, όταν αντικαταστάθηκε με τη μέθοδο των Μαγνητικών Σωματιδίων που είναι πιο ευαίσθητη για φερρομαγνητικά υλικά Εφαρμογές Παραδείγματα ελέγχου μεταλλικού τεμαχίου φαίνονται στο Σχ Με τη βοήθεια των ΔΥ σε υπεριώδες φώς, είναι εμφανείς ρωγμές λόγω κάμψης 6,7. Σχήμα 7.5 Επιφανειακή ρωγμή σε δοκίμιο χάλυβα (a) δύσκολα ορατή σε κανονικό φως, (β) ορατή με τη μέθοδο ΔΥ σε υπεριώδες φως 6, (γ) ορατή με τη μέθοδο ΔΥ σε υπεριώδες φως υπό εφαρμογή φορτίου 7. Άλλο παράδειγμα ελέγχου συγκόλλησης φαίνεται στο Σχ Μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας είναι εμφανής μία ρωγμή μήκους αρκετών εκατοστών παράλληλη προς τη συγκόλληση, όπως φαίνεται στο Σχ. 7.6.δ. 5

7 Σχήμα. 7.6 Έλεγχος σε συγκόλληση με υδατοδιαλυτά ΔΥ. (α) Εφαρμογή ΔΥ με βουρτσάκι, (β) ξέπλυμα της περίσσειας με νερό υπό πίεση, (γ) η πλάκα σε υπεριώδες φως, (δ) η πλάκα σε υπεριώδες φως μετά την εφαρμογή developer (Courtesy Birring NDE Center ) 8. Αντίστοιχο παράδειγμα με χρήση ΔΥ σε απλό φως (όχι υπεριώδες) φαίνεται στο Σχήμα 7.7. Η ρωγμή χρωματίζεται με κόκκινο χρώμα πάνω από τη συγκόλληση (Σχ. 7.7 δ). Σχήμα. 7.7 Έλεγχος σε συγκόλληση με ΔΥ. (α) Εφαρμογή ΔΥ με πινέλο, (β) σκούπισμα της περίσσειας ΔΥ με πανί εμποτισμένο με διαλύτη, (γ) ψεκασμός developer, (δ) η οριζόντια ρωγμή πάνω από τη συγκόλληση είναι εμφανής (Courtesy Birring NDE Center) 8. Παρότι δεν είναι το πιο ενδεδειγμένο υλικό, ΔΥ μπορούν να εφαρμοσθούν και σε σκυρόδεμα για την οπτικοποίηση ρωγμών σε δείγματα (πυρήνες) που ελήφθησαν από το πεδίο 9. Οι κύλινδροι σκυροδέματος τοποθετούνται σε κάδο, όπου αφαιρείται ο αέρας και παρέχεται φωσφορίζουσα ρητίνη. Λόγω της υποπίεσης η ρητίνη προσροφάται σε λίγη 6

8 ώρα σε όλο το δίκτυο πορώδους και ρηγμάτωσης του υλικού. Κατόπιν οι κύλινδροι κόβονται κατά μήκος και εξετάζονται (βλ. Σχ. 7.8). Το δίκτυο ρωγμών είναι εμφανές σε υπεριώδες φως σε αντίθεση με το λευκό φως. Σχήμα 7.8 Πυρήνες σκυροδέματος σε τομή σε: (α) απλό φως, (β) υπεριώδες φως, όπου το δίκτυο ρωγμών είναι εμφανές 9, (γ)τομή πυρήνα σκυροδέματος με διαγώνια ρωγμή σε υπεριώδες φως Σύνοψη Πλεονεκτήματα της μεθόδου Σχετικά απλή εφαρμογή. Εφαρμόζεται σε μεγάλο εύρος υλικών. Μεγάλες επιφάνειες μπορούν να ελεγχθούν γρήγορα και με χαμηλό κόστος. Δεν επηρεάζει η πολύπλοκη γεωμετρία. Οι ενδείξεις παρέχονται ακριβώς εκεί που βρίσκονται οι ρωγμές, χωρίς να χρειάζεται περαιτέρω ανάλυση (άμεση οπτικοποίηση της βλάβης). Μικρό αρχικό κόστος επένδυσης. Φορητή μέθοδος. 7

9 7.9.2 Μειονεκτήματα της μεθόδου Μόνο για επιφανειακές ατέλειες. Χρειάζεται σχετικά λείες και όχι πορώδεις επιφάνειες. Χρειάζεται αρχικό καθάρισμα. Πολλά βήματα της διαδικασίας υπό καθορισμένες συνθήκες. Χρειάζεται και τελικό καθάρισμα. 8

10 7.10 Βιβλιογραφία [1] National Science Foundation 2015, Introduction to Penetrant Testing, [2] Iddings, F. A., P. J. Shull, "Liquid Penetrant", Nondestructive Evaluation, Theory, Techniques and Applications, Chapter 2, P. J. Shull, ed., pp , (Taylor & Francis, 2002). [3] Beril Turgul, A., Capillarity Effect Analysis for Alternative Liquid Penetrant Chemicals, NDT&E International, vol. 30(1), pp , (1997). [4] Φιλιππίδης, Θ. Π., "Μη Καταστροφικοί Έλεγχοι", Πανεπιστημιακές Σημειώσεις, (Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 2015). [5] (accessed September 2015) [6] Strantza, M., Ph.D. Thesis (submitted): Additive Manufacturing as a Tool for Structural Health Monitoring Systems, Dept. Mechanics of Materials and Constructions (MeMC) Vrije Universiteit Brussel, VUB (2015). [7] Strantza, M., D. G. Aggelis, D. De Baere, P. Guillaume, D. Van Hemelrijck, Evaluation of Structural Health Monitoring System Produced by Additive Manufacturing by Means of Acoustic Emission and Other NDT Methods, Sensors, accepted, (2015). [8] [9] Shiotani, T., Y. Nakanishi, K. Iwaki, X. Luo, H. Haya, Evaluation of Reinforced Cement in Damaged Railway Concrete Piers by Means of Acoustic Emission, Journal of Acoustic Emission, vol. 23, pp , (2005). [10] Iliopoulos, S., D. G. Aggelis, L. Pyl, J. Vantomme, P. Van Marcke, E. Coppens, L. Areias, Detection and Evaluation of Cracks in the Concrete Buffer of the Belgian Nuclear Waste Container Using Combined NDT Techniques, Construction and Building Materials, vol. 78, pp , (2015). Επιπλέον ηλεκτρονική βιβλιογραφία: [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] 9