Geavanceerde niet-destructieve testen voor staalkwaliteit en betrouwbaarheid

Niet-destructieve testen (NDT) van stalen

Niet-destructieve testen (NDT) van stalen is een groep analysetechnieken die gebruikt worden om de eigenschappen van staalmaterialen, componenten of lassen te evalueren zonder schade aan te richten. NDT-technieken dienen om interne en oppervlakte defecten (zoals onvolkomenheden, discontinuïteiten en fouten) op te sporen en te beoordelen die onder de ontworpen bedrijfsvoorwaarden tot falen kunnen leiden. Deze defecten kunnen gebieden zijn van lagere integriteit in vergelijking met de rest van het materiaal, of kunnen bestaan uit kraken, gaten en andere onvolkomenheden. NDT levert indirecte maar geldige resultaten en laat, per definitie, het testobject geschikt voor het beoogde gebruik.

De termen niet-destructief onderzoek (NDO), niet-destructieve inspectie (NDI) en niet-destructieve evaluatie (NDE) worden ook voor deze testtechnieken gebruikt. Omdat er geen permanente verandering in het geteste staalmateriaal optreedt, worden NDT-technieken als zeer belangrijk voor materiaalinspectie beschouwd. NDT bespaart zowel geld als tijd bij productevaluatie, probleemoplossing en onderzoek.

NDT-technieken vormen een gespecialiseerd vakgebied dat een kritieke functie vervult. Deze technieken vereisen de diensten van hooggekwalificeerde technici die gesofisticeerde apparatuur en methoden gebruiken om gebieden van het staalcomponent te evalueren die moeilijk of onmogelijk met het blote oog te onderzoeken zijn.

Toepassingsgebieden

NDT-technieken worden gebruikt om defecten tijdens fabricatie en vervaardiging te detecteren, evenals defecten die tijdens de dienst van staalcomponenten ontstaan. Het is echter niet mogelijk om alle mogelijke defecten te detecteren door een component met NDT te onderzoeken. Bovendien detecteert NDT niet het defect zelf, maar het resulterende effect op het materiaal, zoals de wijziging van fysieke eigenschappen (demping van ultrasoon of elektrische geleiding). NDT-technieken leveren geen directe informatie, maar indirecte informatie die geïnterpreteerd moet worden. Sommige NDT-technieken zijn meer direct en nauwkeurig dan andere.

Gemeenschappelijke elementen van NDT

Er zijn diverse NDT-technieken die gebruikt kunnen worden om staalmaterialen, componenten of lassen te evalueren. Alle NDT-technieken delen verschillende gemeenschappelijke elementen:

• Er is een bron van onderzoeksenergie of een soort onderzoeksmedium.
• Er is een discontinuïteit die een verandering of afwijking van het onderzoeksmedium moet veroorzaken.
• Er is een manier om de verandering te detecteren.
• Er is een manier om de verandering aan te duiden.
• Er is een manier om deze indicatie te observeren en/of vast te leggen zodat een interpretatie gemaakt kan worden.

De geschiktheid van een NDT-techniek voor een gegeven toepassing wordt bepaald door de bovengenoemde elementen te overwegen. De bron van de onderzoeksenergie of het onderzoeksmedium moet geschikt zijn voor het testobject en voor het detecteren van het gezochte defect of discontinuïteit. Indien aanwezig, moet een defect of discontinuïteit in staat zijn om het onderzoeksmedium op en of andere manier te wijzigen. Eenmaal gewijzigd, moet er een manier zijn om deze veranderingen te detecteren. Deze veranderingen door de discontinuïteit aan het onderzoeksmedium moeten een indicatie vormen of anderszins worden vastgelegd. Ten slotte moet deze indicatie beoordeeld worden om te kunnen interpreteren en de discontinuïteit te classificeren.

Overzicht van veelvoorkomende NDT-methoden

Er zijn veel verschillende methoden van NDT van staalmaterialen en componenten. De meest voorkomende NDT-methoden voor de evaluatie van staalmaterialen, componenten of lassen zijn: (i) visuele inspectie, (ii) kleurpenetrantinspectie, (iii) magnetische deeltjestesting, (iv) radiografische inspectie, (v) ultrasoon testing, en (vi) waelstroomtesting.

Visuele inspectie

Visuele inspectie is de meest voorkomende, primaire, goedkoopste en oudste vorm van NDT-onderzoek. Het berust op de detectie van oppervlakte-onvolkomenheden met het oog, vereist geen speciale testapparatuur (behalve eenvoudige hulpmiddelen als een vergrootglas) en kan sneller en economischer worden voltooid. Vanwege de subjectieve aard van visuele inspecties is variabiliteit in inspectieresultaten gebruikelijk. Het is ook niet mogelijk om defecten te detecteren die niet zichtbaar zijn voor het oog. De drie basisvereisten voor visuele inspectie zijn: (i) goed gezichtsvermogen om de discontinuïteit te kunnen zien, (ii) goede verlichting, het juiste type licht is belangrijk, en (iii) ervaring om de discontinuïteit te herkennen.

Kleurpenetrantinspectie

Bij de kleurpenetrantinspectie wordt een kleurpenetrant gebruikt om oppervlaktedefecten te detecteren door de 'uitslag' van een penetrerend medium tegen een contrasterende achtergrond. De penetrerende kleurstof wordt op het vooraf gereinigde oppervlak van het te testen staalmateriaal aangebracht en blijft een voorgeschreven periode (dwell time) zitten, waarbij capillairwerking het naar eventuele oppervlaktedefecten trekt. De overbodige penetrant wordt vervolgens verwijderd en een developer wordt aangebracht. De developer keert de capillairwerking om en trekt penetrant uit de fout. De resulterende indicaties onthullen de aanwezigheid van de fout zodat deze visueel kan worden gezien en defecten kunnen worden geobserveerd en geëvalueerd door de technicus. Kleurpenetrantinspectie wordt weergegeven in Fig. 1.

Fig. 1 Kleurpenetrantinspectie

Er zijn twee manieren waarop kleurpenetranten geclassificeerd worden: (i) naar het type geproduceerde indicatie, en (ii) de verwijderingsmethode. De resultaten van kleurpenetranttesten worden ook op twee manieren weergegeven: zichtbaar en fluorescent. Het zichtbare penetranttype produceert een duidelijke rode lijn of streepindicatie tegen een witte developerachtergrond bij goed wit licht. De fluorescerende penetrant produceert een groene, fluorescerende indicatie wanneer waargenomen onder ultraviolett licht. Omdat het menselijk oog een fluorescerende indicatie gemakkelijker kan waarnemen dan een zichtbare indicatie, is het gebruik van fluorescerende penetrantinspectie een gevoeligere test.

De tweede classificatiemethode is gebaseerd op de manier waarop de overbodige penetrant van het testoppervlak wordt verwijderd. De penetranten zijn ofwel waterafwasbaar, oplosmiddelverwijderbaar of na-emulsifieerbaar. Waterafwasbare penetranten bevatten een emulsiemiddel dat toelaat de penetrant af te spoelen met een laagdruk watersproei. Oplosmiddelverwijderbare penetranten vereisen een oplosmiddel om de overbodige penetrant van het testoppervlak te verwijderen. Na-emulsifieerbare penetranten worden verwijderd door na de inwerkingtredingstijd een emulsiemiddel toe te voegen.

Dit proces is eenvoudig, veelzijdig en kostenefficiënt en kan verder worden verbeterd door het gebruik van fel gekleurde of fluorescerende kleurstoffen. Het enige nadeel is dat het alleen oppervlaktedefecten kan detecteren.

Magnetische deeltjestesting

Magnetische deeltjestesting wordt gebruikt om oppervlakte en geringe suboppervlakte discontinuïteiten of defecten in ferromagnetische materialen zoals stalen te lokaliseren. Zulke fouten in een gemagnetiseerd onderdeel veroorzaken een magneetveld (flux) het onderdeel te verlaten. Als magnetische deeltjes op dit oppervlak worden aangebracht, worden ze door de fluxlek op hun plaats gehouden, wat een visuele indicatie geeft. Hoewel verschillende methoden van magnetische deeltjestesten gebruikt kunnen worden, berusten ze allemaal op hetzelfde algemene principe. Het is een heel eenvoudig en kostenefficiënt proces.

Een magnetische deeltjestest wordt uitgevoerd door een magneetveld in het te testen deel te creëren door de magnetische deeltjes op het testoppervlak aan te brengen. Het proces wordt ofwel in het veld uitgevoerd, met behulp van draagbare magnetische jokken, ofwel in een werkplaats met een magnetische bank. De bank is efficiënter voor grote volumes werk.

Magnetische deeltjestesting van staal wordt over het algemeen uitgevoerd met een bepaald type elektromagneet. Een elektromagneet berust op het principe dat er een magneetveld geassocieerd is met elke elektrische geleider. Zowel wisselstroom (AC) als gelijkstroom (DC) kan gebruikt worden om een magneetveld te induceren. Het door AC gecreëerde magneetveld is door het 'huid-effect' het sterkst aan het oppervlak van het testobject. AC biedt ook grotere deeltjesmobiliteit aan het oppervlak van het object, waardoor ze vrij kunnen bewegen om gebieden van fluxlek te lokaliseren, zelfs als het oppervlak van het object onregelmatig is. DC induceert magneetvelden die een grotere doordringingskracht hebben en gebruikt kunnen worden om nabij-oppervlakte discontinuïteiten te detecteren.

Radiografische inspectie

Radiografische inspectie is een techniek gebaseerd op het gebruik van kortgolvige elektromagnetische straling die door het staalmateriaal heen gaat. De traditionele radiografiemethode is het proces van het maken van een permanent archief op radiografische film van testobjecten om defecten te detecteren. Dit gebeurt door het testobject te blootstellen aan ofwel elektrisch gegenereerde röntgenstraling ofwel gamma-straling van een stralingsbron. Straling van de bron gaat door het object en wordt op radiografische film vastgelegd. De film wordt ontwikkeld en de verwerkte film (radiograaf) wordt bekeken door gekwalificeerde technici die in staat zijn defecten en afwijkingen te detecteren conform toepasselijke codes en standaarden.

Het principe dat in deze techniek wordt gebruikt, is dat staalobjecten met gebieden van verminderde dikte of lagere materiaaldichtheid meer doorlaat van de straling, en dus minder straling absorberen. De straling die de film bereikt na door het materiaal heen te zijn gegaan, vormt een schaduwbeeld op de radiograaf. Gebieden van lage absorptie (slak, gaten, porositeit) verschijnen als donkere gebieden op de radiograaf, terwijl gebieden van hoge absorptie (dichte insluitingen) als lichte gebieden verschijnen.

Suboppervlakte discontinuïteiten die gemakkelijk met deze methode worden gedetecteerd, zijn gaten, fouten, metallische en niet-metallische insluitingen, en kraken.

Recente vooruitgang in radiografische inspectie is digitale radiografie, die geen duur film en ontwikkelapparatuur meer vereist.

Ultrasoon testing

Ultrasoon testing (UT) is een inspectiemethode die hoge-frequente geluidsgolven (ultrasoon) gebruikt, boven het bereik van het menselijk gehoor, om geometrische en fysieke eigenschappen in staalmaterialen te meten. Deze methode gebruikt elektrisch gegenereerde geluidsgolven om door het staalobject te penetreren om defecten te detecteren. Sonische reflectie, breking en absorptie worden vervolgens weergegeven en vastgelegd op een CRT-scherm (kathodestraalbuis) voor interpretatie. Dit proces vereist significant meer vaardigheid en ervaring om nauwkeurige interpretaties te leveren.

Een van de primaire voordelen van UT is dat het wordt beschouwd als een echte volumetrische test. Het is in staat niet alleen de lengte en locatie van een fout te bepalen, maar biedt de operator ook informatie over het type fout. Het grote voordeel van UT is dat het alleen toegang tot één zijde van het geteste materiaal vereist. Een ander belangrijk voordeel is dat UT kritische vlakke discontinuïteiten zoals kraken en onvolledige smelting detecteert. UT is het meest gevoelig voor discontinuïteiten die loodrecht staan op de geluidsbundel. Omdat diverse bundelhoeken gebruikt kunnen worden, kan UT laminaties, onvolledige smelting en kraken detecteren die zo georiënteerd zijn dat detectie met radiografische testing niet mogelijk zou zijn. UT heeft een diepe doordringingsvermogen.

Vooruitgang in UT-apparatuur, inclusief phased array en driedimensionale (3D) technologie, heeft de flexibiliteit en aanpasbaarheid van UT voor alle typen NDT-werk aanzienlijk vergroot.

Waelstroomtesting

Bij waelstroomtesting (ET) wordt een spoel met wisselstroom dicht bij het monsteroppervlak of rondom het monster geplaatst. De stroom in de spoel genereert circulërende waelstromen in het monster dicht bij het oppervlak, en deze beïnvloeden op hun beurt de stroom in de spoel door wederzijdse inductie. Fouten en materiaalvariaties in het monster beïnvloeden de sterkte van de waelstromen. De aanwezigheid van fouten wordt daarom gemeten door elektrische veranderingen in de exciterende spoel. Zowel spannings- als fas veranderingen kunnen gemeten worden, maar eenvoudigere instrumenten meten alleen de spanningsveranderingen.

De sterkte van de geproduceerde waelstromen hangt af van de elektrische geleidbaarheid van het monster, de magnetische permeabiliteit van het testmonster, de stand-off afstand tussen monster en spoel, de AC-frequentie in de exciterende spoel, de afmetingen van de spoel en het monster, en de aanwezigheid van fouten. Een groot deel van het succes van ET-testen hangt af van het scheiden van de effecten van deze variabelen. De meeste waelstroominstrumenten vereisen kalibratie op een set testmonsters en de foutgevoeligheid kan zeer hoog zijn.

De waelstroomtesttechniek wordt gebruikt voor kraakdetectie, materiaaldikte-metingen, coatingdikte-metingen en geleidbaarheidsmetingen voor materiaalidentificatie, hitteschadedetectie, verhardingsdiedptebepaling, zadel slijtage, korrosie, dwarskraken, vriesbulten, scheuren, deuken, warmtebehandeling monitoring, snelle sortering van kleine componenten op fout, maatvariatie of materiaalvariatie.

Waelstroomtesting is een nuttig hulpmiddel voor het detecteren van corrosieschade en andere schade die verdunning van de materiaalwand in buizen veroorzaakt, zoals warmtewisselaars en ketelbuizen. De waelstroommethode is zeer goed voor oppervlakte- en nabij-oppervlakte defecten, gevoelig voor kleine kraken en andere defecten en vereist zeer weinig voorbereiding van het deel. Het is beperkt tot gebruik op geleidende materialen, met het oppervlak toegankelijk voor de meetpunt.