UNIVERZITET U ZENICI ŠKOLSKA GOD. MAŠINSKI FAKULTET U ZENICI 2007/08 Predmet: Ispitivanje i defektoskopija konstrukcija

Seminarski rad

STUDENT: PREDMETNI ASISTENT: Bešić Alen Mr. Samir Lemeš dipl.ing.maš.

1

UVOD - LPI je bezrazarajuća metoda otkrivanja diskontinuiteta otvorenih na površinama čvrstih tijela i obavezno neporoznih materijala. Indikacija širokog spektra, veličine pukotine, može biti otkrivena bez obzira na konfiguraciju ispitivanog komada i bez obzira na orijentaciju pukotine. Tečni penetranti cure u različite tipove malih površinskih otvora poput kapilarnog dejstva. Zbog ovog, proces je dobar za otkrivanje svih tipova površinskih pukotina, grešaka, poroznosti, napregnutih područja, laminacija i malih diskontinuiteta. Ekstenzivno se primjenjuje za ispitivanje odkivaka i odlivaka od feroznih (željeznih) i neferoznih (neželjeznih) metala, praškastih metalurških dijelova, keramike, plastike i predmeta od stakla. - U praksi, tečni penetrirajući proces je relativno jednostavan za korištenje i kontrolu (izvođenje). Oprema koja se koristi u LPI može varirati od sklopa jednostavnih rezervoara, napunjenih penetrantom visokog kompjuterski-kontroliranog automatskog procesa i ispitujućeg sistema. Uspostavljanje procedura i standarda za ispitivanje specifičnih dijelova ili proizvoda je kritično za optimiranje i rezultiranje. - Tečne penetrantske metode ne zavise od feromagnetizma (kao, na primjer, ispitivanje magnetnim česticama) i uređaji diskontinuiteta nisu utjecajni faktor. Penetrantska metoda je efektivna ne samo za otkrivanje površinskih pukotina u nemagnetičkim metalima nego i za otkrivanje površinskih pukotina u drugim vrstama nemagnetičnih materijala. LPI se također koristi za ispitivanje dijelova napravljenih od feromagnetni čelika, uopšteno, osjetljivost je veća nego kod ispitivanja magnetnim česticama. - Osnovni nedostatak kod LPI je to da ona može otkriti samo nepravilnosti koje su otvorene na površini, neke druge metode se mogu koristiti za otkrivanje unutrašnjih pukotina. Drugi faktor koji može uskratiti korištenje tečnih penetranata je površinska hrapavost i poroznost. Takve površine proizvode prekomjernu pozadinu i ometaju ispitivanje. FIZIČKI PRINCIPI - LPI zavisi uglavnom od sposobnosti penetrantskog kvašenja površine čvrstog tijela, radnog komada ili uzorka tečenja po površini u neprekidnom i umjerenom jednolikom sloju, i tada popunjava šupljine koje su otvorene na površini. Pukotine (šupljine) koje se ispituju su obično veoma male, često nevidljive golim okom. Sposobnost koju treba da ima tečnost da bi kvasila površinu i unutrašnjost površinskih šupljina u principu zavisi od slijedećeg:

2

- čistoće površine; - konfiguracije pukotine; - čistoće pukotine; - veličine površine otvorene pukotine; - površinskih napona u tečnosti; - sposobnosti tečnosti da kvasi površinu; - kontaktnog ugla tečnosti - Kohezivne sile između molekula tečnosti uzrokuju površinske napone. Primjer utjecaja površinskog napona je tendencija (rast) slobodne tečnosti kao što je kapljica vode, kontraktovana u sferi. U slučaju kapljice, površinski napon je kontrabalansiran (izjednačen) sa unutrašnjim hidrostatičkim pritiskom tečnosti. Kada tečnost dođe u kontakt sa čvrstom površinom, kohezivne sile odgovorne za površinski napon nadmeću se sa adhezivnim silama između površina. Ako je θ<90° kaže se da tečnost kvasi površinu, ili da ima dobru sposobnost kvašenja, ako je ugao jednak ili veći (θ=90° ili θ>90°), smatra se da je sposobnost kvašenja mala (slaba).

Sl.1 Zavisnost kvaliteta kvašenja površine materijala od kontaktnog ugla θ - Pažljivo posmatrano, veza između kvašenja površine je fenomen kapilarnog dizanja (rasta ili depresije/područje niskog pritiska). Ako je kontaktni ugao, između tečnosti i zida kapilarne cijevi, manji od 90° (to je, kad tečnost dobro kvasi zid) tečni meniskus (nivo tečnosti) u cijevi je konkavan (ispupčen), i tečnost raste u cijevi. Ako je θ=90° tada nema kapilarne depresije ili porasta. Ako je veće od 90 (θ>90°) tečnost je u području niskog pritiska u cijevi i ne kvasi zidove cijevi dobro, i nivo (meniskus) je konveksan. U kapilarnom porastu, meniskus ne povlači tečnost u cijev, nego, hidrostatički pritisak odmah iznad meniskusa je reduciran zbog raspodjele površinskog napona u konkavnoj (ispupčenoj) površini i tečnost je podignuta (gurnuta) gore u kapilarnoj cijevi zbog hidrauličkog transmisionog pritiska atmosfere izvan kapilarne cijevi.

3

θ<90° θ=90° θ>90°

Sl 2, i 3. Porast pritiska u kapilarnoj cijevi određen kontaktnim uglom između tečnosti i zida cijevi.

4

- Visina na kojoj je porast tečnosti i (visina tečnosti) direktno proporcionalan površinskom naponu tečnosti i kosinusu kontaktnog ugla, inverzno je proporcionalna sa tečnosti i radijusom (radijusom) kapilarne cijevi. Ako je kapilarna cijev zatvorena, vlažnost tečnosti će i dalje rasti u cijevi, kako god, tamo će se pojaviti dodatni pritisak koji je rezultat zraka i pare kompresovane u zatvorenoj cijevi i kapilarni porast neće biti toliko velik. - Viskoznost tečnosti ne utiče na glavno izjednačavanje kapilarnog rasta. Viskoznost je povezana sa brzinom kojom će tečnost proteći iznad nekog primijenjenog nebalansiranog (neravnomjernog) napona, ustvari, viskoznost ima sitan (neznatan) utjecaj na penetrirajuću sposobnost. Generalno, kako god, puno viskozne tečnosti su neprikladne kao penetranti zbog toga što one neće teći dovoljno brzo preko površine radnog komada, stoga, one zahtijevaju prekomjerno dug period vremena da migriraju (popune) sitne pukotine. - Druge neophodne osobine penetranata su njihova moć rastvorljivosti na adekvatnu količinu podesnih fluorescenata ili smjese vidljivih boja. Na kraju, tečni penetranti moraju biti uklonjeni sa odgovarajućim rastvaračem, ili emulzijom bez taloženja boje. Samo je još važno napomenuti da je penetrant unutar površinskih pukotina, također je važno da penetrant bude zadržan u pukotinama i da izađe (pojavi se) iz pukotine nakon što je površinski sloj odstranjen s površine i primijenjen razvijač. Očigledan je paradoks da isto dejstvo između tečnosti i površine koja uzrokuje da tečnost uđe u otvor pukotine također bude korišteno da ona izađe iz tog otvora. - Rezultat ovog paradoksa je jednostavan: Jedna površina je oslobođena viška penetranta i postaje dostupna za privlačenje tečnosti, koja je izvan dejstva adhezivnih sila između tečnosti i čvrstog tijela, širi se preko prethodno očišćene površine dok se ne postigne odgovarajuča ravnoteža. - Iako je u nekim slučajevima količina penetranta u površinskim kapljicama u ravnoteži dovoljna da bude otkrivena vizualno, osjetljivost je mnogo uvećana upotrebom razvijača, od kojih postoji nekoliko raspoloživih tipova. Kada je primijenjen, razvijač formira tanki površinski film (sloj), to je, spužvasti sistem vrlo tanak, slučajne kapilarne raspodjele. Ako penetrant sadrži prah, prah se tada miješa sa svježe očišćenom površnom radnog komada za penetrant, tako on, teče preko pukotine. Ako je razvijač pravilno (pogodno) napravljen, on sigurno apsorbuje penetrant iz pukotine. Penetrant također nastavlja kretanje pomoću kapilarnog efekta, šireći se kroz razvijač sve dok se ne dostigne ravnoteža.

5

Vidljivost navedenog penetranta unutar pukotine se prvo uvećava širenjem ili uvećanjem indikacije.

Sl. 4. Vidljivost pukotine nakon uklanjanja viška penetranta EVOLUCIJA PROCESA - Tačno porijeklo LPI nije poznato, ali smatra se da je metoda nastala zapažanjem da je hrđa na pukotini na čeličnoj ploči uskladištenoj na otvorenom nekako veća (uočljivija) od hrđe na obližnjoj (susjednoj) površini što je rezultat curenje vode u pukotine i prisilnog izlaska oksida koji pomažu koroziju. Očigledan zaključak je da je svrha tečnosti uvući u površinsku pukotinu i onda ponovo izvući vani otkrivajući lokaciju (mjesto) ovih pukotina. - Jedini materijal koji je ispunjavao poznate kriterije niske viskoznosti, dobrog kvašenja, i tamne sposobnosti bio je kerozin. Pronađen je, kako god, iako je široke pukotine lako pokazivao, neke sitne su ponekad izostajale zbog teškog uočavanja, nepotpunog vizualnog značaja, male količine kerozina su se izlučivale iz pukotine. Rastvor je osiguravao kontrastnu površinu koja je otkrivala najmanje curenje. Osobine i sposobnosti izbjeljivanja su to činile logičnim izborom. Ova metoda, poznata kao kerozin i test izbjeljivanja, bila je standard mnogo godina. Osjetljivost kerozina i testa izbjeljivanja mogla je biti uvećana udarcem objekta koji se testirao čekićem tokom ispitivanja. Rezultati vibracije su donosili više kerozina iz pukotina i veće bjelilo. Iako ovaj test nije bio osjetljiv kao ono što je izlazilo iz njega, bio je brz, jeftin i razumno (dovoljno) precizan. Prema tome, to je obezbijedilo ogromno poboljšanje nad uobičajenim vizualnim ispitivanjem.

6

- Prvi korak koji vodi do metoda, sada raspoloživi, je bio razvoj flourescentnih penetrantskih procesa od R. C. Cwitzer. Ova tečnost se koristi zajedno sa praškastim razvijačima, dovodeći ispitivanje penetrantima iz relativno grube (proste) procedure u mnogo savremeniju operaciju, sa flourescentnim penetrantima, male (sitne) pukotine mogu biti otkrivene kada se izlože ultravioletnom svjetlu (uopšteno zvano crno svjetlo). Ovi razvijači predstavljaju glavno probijanje u otkrivene površinske pukotine. - Cwitzerov rad je također uključivao vidljivo- obojeni kontrastni metod, koji je zadovoljavao ispitivanje, uspješno je korišten u industriji za nekritični metod ispitivanja. METODE PENETRANTA - Zbog ogromne razlike između primjena ispitivanja penetrantima, bilo je neophodno razvrstati i razviti dva tipa penetranta u četiri osnovne metode prilagođene širokim varijacijama sa slijedećim glavnim karakteristikama (faktorima): - stanja površine radnog komada koji se ispituje - karakteristike pukotine koja je otkrivena - vremena i mjesta ispitivanja - veličine radnog komada - zahtijevane osjetljivosti Četiri metode su opšte klasificirane kao: - vodom ispirljivi, metod A - postemulzivni lipofilni, metod B - solventni, metod C - postemulzivni hidrofilni, metod D - Vodom ispirljivi penetranti (metod A) su napravljeni tako da je penetrant direktno ispirljiv vodom sa površine radnog komada, ne zahtjeva dodati emulzifikacijski korak, kao što je postemulzivna metoda. Može biti korišten za ispitivanje radnog komada brzo i efikasno. To je važno, kako god, ta se operacija pažljivo kontrolira zbog toga što su vodom ispirljivi penetranti osjetljivi i lako ispirljivi.

7

Sl. 5. Pet osnovnih koraka za ispitivanje vodom ispirljivih penetranata - Postemulzivni penetranti (metod B) su napravljeni da osiguraju otkrivanje sitnih pukotina u nekim materijalima. Ovi penetranti nisu direktno ispirljivi vodom. Zbog ove karakteristike, opasnost od lakog ispiranja penetranta van pukotine je smanjena (reducirana). Razlika između vodom ispirljivih i postemulzivnih metoda leži u upotrebi emulzije prije ispiranja. Emulzija čini ostatak površinskog penetranta rastvorljivim u vodi, tako da višak površinskih penetranata može biti uklonjen ispiranjem vodom. Dakle, vrijeme emulzifikacije mora biti pažljivo kontrolirano tako da površinski penetranti postanu rastvorljivi u vodi, ali ne i penetranti u pukotinama.

Sl.6. Osnovni koraci za postemulzivno ispitivanje penetrantima

- Solventom uklonjivi penetranti (metod C) je raspoloživ za upotrebu kada je neophodno ispitati samo lokalizovano područje radnog komada ili ispitati radni komad u ranijem položaju od proizvodnje ispitivane osnove. Normalno, isti tip (vrsta) solventa je upotrebljen i za uklanjanje viška penetranta. Ovaj penetrantski proces je pogodan i široko rangiran za primjenu penetrantskih ispitivanja. Kako god, iako je solventna metoda korištena intenzivno, nije praktična za mnoge proizvodne vrste (aplikacije). Kada je pravilno korištena i kada se koristi u pogodnim aplikacijama solventna metoda može biti jedna od najosjetljivijih raspoloživih penetrantskih metoda.

8

Sl.7. Osnovni koraci za korištenje solventne metode za ispitivanje penetrantima - Koja god je penetrantska metoda izabrana stepen i brzina uklanjanja viška penetranata zvisi od obradnih uslova kao i karakteristike prskanja, pritiska i temperature vode, dužine ciklusa ispiranja, stanja površine radnog komada i inherentni (nerazdvojivi) karakteristika korištenog penetranta. OPIS PROCESA - Bez obzira koji tip penetranta koristimo, flourescentni (tip I) ili vidljivi (tip II), ispitivanje penetrantima zahtjeva slijedećih pet glavni koraka kako slijedi: - PRIPREMANJE POVRŠINE: Sve površine koje budu ispitivane, bilo da su lokalizovane ili cijeli radni komad, moraju biti direktno očišćene i kompletno osušene prije nego što budu predmet ispitivanja penetrantima. Pukotine na površini moraju biti očišćene od ulja, vode ili drugog sadržaja da bi bile otkrivene. - PENETRACIJA: Nakon što je radni komad očišćen, penetrant se primjenjuje u pogodnom obliku tako da formira sloj penetranata preko površine. Ovaj film bi trebao ostati na površini dovoljno dugo da dozvoli maksimalnu penetraciju u bilo kojim površinskim otvorima koji su prisutni. - UKLANJANJE VIŠKA PENETRANATA: Višak penetranata mora biti uklonjen sa površine. Metode uklanjanja su određene sa vrstom korištenog penetranta. Neki penetranti mogu biti jednostavno oprani vodom, drugi zahtijevaju upotrebu emulzije (lipofilni i hidrofilni) ili solventa/ spreja. Jednoliko uklanjanje viška površinskih penetranata je neophodno za učinkovito (efektivno) ispitivanje, ali prekomjerno uklanjanje mora biti izbjegnuto. - RAZVIJAČ: Zavisno od forme razvijača koji se koristi, radni komad je osušen prije ili odmah poslije nanošenja razvijača. Razvijač formira sloj preko površine.

9

To djeluje kao upijajuća hartija, pomaže prirodnom curenju penetranta iz površinskih otvora i širenju na ivici tako da povećava vrijednost indikacije penetranata. - ISPITIVANJE: Nakon što je dovoljno razvijena, površina je vizualno ispitana indikacijama penetranata razvijenog iz površinskih otvora. Ovo ispitivanje mora biti izvođeno u pogodnom okruženju za ispitivanje. Ispitivanje vidljivim penetrantima je izvođeno pod jakom bijelom svjetlošću. Kada se upotrebljava flourescentni penetrant ispitivanje se izvodi u pogodnom zamračenom prostoru koristeći crno (ultravioletno)svijetlo, koje čini penetrant flourescentno sjajnim. MATERIJAL KOJI SE KORISTI U ISPITIVANJU PRNETRANTIMA - U dodavanju samih penetranata, tečnost kao što je emulzija, solvent (čistaći i uklanjači) i razvijači su zahtijevani za izvođenje ispitivanja tečnim penetrantima. - PENETRANTI - Postoje dva osnovna tipa penetranata: - Flourescentni tip, tip I - Vidljivi, tip II - I jedan i drugi tip je raspoloživ za bilo koju od četiri metode (vodom ispirljivi, postemulzivni, lipofilni, postemulzivni hidrofilni i solventni) spomenuti u dijelu 'Penetrantske metode' u ovom predmetu. - Tip I flourescentni penetranti koriste penetrante koji su obično zelene boje i flourescentno sjaju pod ultravioletnom svijetlosti. Osjetljivost florescentni penetranata zavisi od njihove sposobnosti da formiraju indikacije da se pojavljuju kao mali izvori svijetlosti na drugačijem tamnom području. Penetranti tipa I su upotrebljivi u različitim fazama osjetljivosti klasificiranih kako slijedi: - stepen 1/2 : ultraniski - stepen 1 : niski - stepen 2 : srednji - stepen 3 : jaki - stepen 4 : ultrajaki - Tip II vidljivi penetranti upotrebljavaju penetrante koji su obično crvene boje i proizvode vidljivu crvenu indikaciju u kontrastu bijele pozadine primijenjenog razvijača iznad vidljive svijetlosti. Vidljiva indikacija penetranata mora biti jasno vidljiva iznad određenog bijelog svijetla. Osjetljivi vidljivi penetranti se odnose na stepen 1 i odgovarajući su za mnoge aplikacije.

10

Izbor penetranata i upotreba: - Kritički zavisi od ispitivanja, stanja površine radnog komada, tipa (vrste) procesa i željene osjetljivosti. - Metod A, vodom ispirljivi penetranti su napravljeni za uklanjanje viška površinskih penetranata sa vodom ispirući direktno nakon određenog vremena penetracije. Emulzija je interkorporirana (zadržana) u vodom ispirljivim penetrantima. Kada se koristi ovaj tip penetranata ekstremno je važno da uklanjanje viška površinskih penetranata bude pažljivo kontrolisano da spriječi prekomjerno pranje, koje može uzrokovati da penetrant bude opran iz pukotina. - Metod B i D, lipofilni i hidrofilni postemulzivni penetranti su nerastvorljivi u vodi i tamo nema uklanjanja ispiranjem samom vodom. Oni su selektivno napravljeni da se uklanjaju sa površine radnog komada sa upotrebom posebne emulzije. Emulzija, pogodno primijenjena i odstranjena za prikladno emulzifikaciono vrijeme, kombinovana sa viškom površinski penetranata iz vodom ispirljivih površinski mješavina može biti saprana sa površine radnog komada. Penetrant koji ostaje unutar pukotina nije predmet prekomjernog ispiranja. Kako god, pravo emulzifikaciono vrijeme mora biti ustanovljeno eksperimentalno i održano da osigura preemulzifikaciju, čiji rezultat gubitka pukotina, nije isključen. - Metod C, solventni penetranti: uklanjaju se čišćenjem sa čistaćem od materijala koji ne ostavlja tragove sve dok većina tragova penetranata ne bude uklonjena. Ostaci tragova se uklanjaju čišćenjem sa čistaćem, očišćeni materijal bez tragova i defekata se blago ovlaži sa solventom. Ovaj tip penetranta se prvenstveno koristi kada se zahtjeva prenosivost, i za ispitivanje lokalizovanog područja, za minimalnu mogućnost uklanjanja penetranata iz pukotina, upotreba prekomjerne količine solventa se mora izbjeći. FIZIČKE I HEMIJSKE KARAKTERISTIKE: - I flourescentni i vidljivi penetranti, bilo vodom ispirljivi, postemulzivni ili solventni rastvarači, moraju imati određene hemijske i fizičke karakteristike, ako hoće izvršavati svoju namijenjenu funkciju. Principijelni uslovi penetranata su slijedeći:

11

- hemijska stabilnost (postojanost) i jedinstvena fizička konzistencija - tačka topljenja ne manja od 95°C (200°F ), penetranti koji imaju nižu tačku topljenja predstavljaju potencijalnu zapaljivu opasnost - visok stepen kvašenja - nisku viskoznost da obezbijedi bolju navlaku i minimalno odugovlačenje (usporavanje) - sposobnost penetriranja pukotina brzo i kompletno - dovoljna jasnoća i stalna boja - hemijsku inertnost sa materijalima koji se ispituju i sa posudama - malu toksičnost zbog zaštite osoblja - sporu karakteristiku sušenja - lakoću uklanjanja - neškodljiv miris - nisku cijenu - otpornost na ultravioletno zračenje i toplotno nestajanje (slabljenje). Emulzije Emulzije su tečnosti koje se koriste da izraze višak penetranata na površini radnog komada vodom ispirljive. Postoje dvije metode korištenja postemulzivnih penetranata: Metod B, lipofilni, i metod D, hidrifilni. Obje mogu djelovati u razmaku trajanja od nekoliko sekundi do nekoliko minuta, zavisno od viskoznosti, koncentracije, primijenjenog metodu i hemijskog sastava emulzije, kao i od hrapavosti površine radnog komada. Dužina vremena emulzifikacije bi trebala ostati povezana sa penetrantskom zavisnosti od tipa upotrebljene emulzije i hrapavosti površine radnog komada. 1. LITERATURA 1. Leak Testing, in Nondestructive Testing Handbook, R.C. McMaster, Ed., Vol 1, for Nondestructive Testing, 1982 2. Encyclopedia of Materials Science and Engineering, Vol 4, MIT Press, 1986 Handbook. 2. Prezentacije za Ispitivanje i defektoskopiju konstrukcija 1. Ispitivanje penetrantima-Autor: v.as.mr. Samir Lemeš