Badanie drutów miedzianych w standardzie norm europejskich Sławomir Jóźwiak NDT System Warszawa Email: slawomir.jozwiak@ndt-system.com.pl Wstęp W hutniczych procesach wytwarzania prętów, drutów i rur powszechnie zwanych walcówką - kontrolę jakości tych wyrobów przeprowadza się metodami prądów wirowych i magnetyczną. Pozwalają one wykryć nieciągłości materiałowe zarówno na powierzchni jak i pod powierzchnią badanych wyrobów. Większe możliwości techniczne przypisuje się metodzie prądów wirowych (ET), którą badane są wyroby z materiałów przewodzących prąd elektryczny, zarówno ferromagnetycznych jak i nieferromagnetycznych Wielką zaletą jest możliwość prowadzenia badania bezkontaktowo, co pozwala na badanie wyrobów gorących do ok. 1200 o C. Sprzężenie sond prądów wirowych z badanymi wyrobami następuje za pośrednictwem pola elektromagnetycznego. Prądy wirowe [1] to prąd elektryczny wzbudzany w materiale przewodzącym przez zmienne pole magnetyczne. Sprzężenie elektromagnetyczne [1]- elektromagnetyczne oddziaływanie pomiędzy dwoma, lub więcej, obwodami. W metodzie prądów wirowych badany wyrób jest jednym z obwodów. Zjawisko to polega na indukowaniu prądu w zamkniętym obwodzie elektrycznym, a również w obiekcie metalowym, gdy strumień magnetyczny obejmowany przez ten obwód (obiekt) ulega zmianie. Rys.1 Kierunek prądu wirowego (indukcyjnego) w wyrobach metalowych jest taki, że strumień magnetyczny przez ten prąd wywołany przeszkadza zmianom strumienia magnetycznego, dzięki którym prąd indukcyjny powstał. Tę regułę, znaną z lekcji fizyki, podał Lenz. Kształt ścieżek przepływu prądów wirowych zależy od elektromaganetycznych właściwości obiektów badanych, w tym od występujących w nich nieciągłości. Zasady powstawania prądów wirowych ilustrują rys. 1 i 2. Wyroby o dużej długości, np. pręty, rury i druty są odcinkami poddawane polu elektromagnetycznemu, wytwarzanemu przez sondę. Sonda [1] to przetwornik prądów wirowych. Element zawierający, między innymi, jeden lub więcej zestawów cewek. 1
Rys. 2 Rozkładem prądów wirowych w głąb materiału rządzą prawa fizyki; gęstość tych prądów zmniejsza się znacznie ze wzrostem głębokości. W przypadku wzbudzenia wysokiej częstotliwości spadek ten jest ekspotencjalną funkcją głębokości [1]. Rys. 3 Przyjęto uważać za tzw. standardową głębokość wnikania pola magnetycznego i prądów wirowych taką głębokość δ, przy której amplituda tych wielkości zmniejsza się e=2,72 razy w stosunku do ich wartości na powierzchni obiektu (rys. 3). Standardowa głębokość wnikania [1] to głębokość, na której natężenie pola magnetycznego lub natężenia wzbudzanych prądów wirowych jest tłumione do 1/e (37%) wartości na górnej powierzchni. Obliczenie jest obowiązujące wyłącznie w przypadku płyty płaskiej o nieskończonej grubości pobudzanej przez falę płaską. 1 Standardowa głębokość wnikania równa jest: δ = πfσµ w którym : δ - głębokość wnikania σ - przewodność elektryczna µ - przenikalność magnetyczna ƒ - częstotliwość Badania ET prowadzi się przeważnie przy częstotliwości sond w zakresie od 1 khz do 5 MHz. Wpływ obecności nieciągłości w materiale wyrobu na sygnały sond prądowirowych jest ograniczony do efektywnej głębokości wnikania, tj. do około trzech standardowych głębokości wnikania. 2
Podstawowymi parametrami, które mają wpływ na mierzone wielkości, są wszystkie - występujące pojedynczo lub w kombinacji, następujące właściwości badanych wyrobów: - przewodność materiału; - przenikalność magnetyczna materiału; - wielkość i geometria badanego wyrobu; - geometria położenia sondy względem badanego wyrobu Rozpatrując badanie drutów miedzianych mamy praktycznie zmienne dwa ostatnie czynniki. Badania prądami wirowymi w normach europejskich W porównaniu do innych metod badań nieniszczących metoda ET jest dość skromnie opisana w normach EN. Normalizacja postępuje w ślad za zastosowaniami przemysłowymi. Dlatego też obok dwóch norm ogólnych [1,2] pozostałe dotyczą badania rur z różnych materiałów [3-8] i pomiarów grubości powłok [9]. Cennym uzupełnieniem będą trzy arkusze normy 13860 [10-12], które wchodzą do stosowania (w j. ang. normy uznaniowe U).. Szczególnie cenna jest norma terminologiczna [1], w której podano definicje 200 terminów związanych z prowadzeniem badań prądami wirowymi. Niektóre z nich zamieszczono w tekście referatu (mniszą czcionką). Znaczenie nory terminologicznej nie jest doceniane, a co najgorsze to jej nieznajomość. Tłumaczenie norm EN na język polski stało się okazją do uporządkowania słownictwa technicznego. Znając normę 1330-5 [1] będziemy mówili prądy wirowe a nie wiroprądy. Oto przykłady zdefiniowanych terminów: sonda, rozpływ prądu wirowego, kąt fazowy sygnału - faza sygnału, odniesienie fazowe, kąt fazowy sygnału - faza sygnału, pole wzbudzające - pole pierwotne, cewka pierwotna - element wzbudzający ; długość pokrycia, efekt uniesienia, ścieżka przeszukiwania itd Bardzo przydatna jest norma PN-EN 12084 [2], która spełnia rolę przewodnika dla opracowywania procedur oraz instrukcji badania określonych wyrobów. Zawarte w niej wymagania dotyczą kwalifikacji personelu, techniki pomiarowej, aparatury i próbek odniesienia oraz przygotowania i przeprowadzenia badania wyrobu. W podanym na końcu aktualnym zestawie norm EN nie ma ani jednej dotyczącej badania drutów czy prętów miedzianych. Informacje na ten temat zostaną przekazane Państwu w oparciu o analogiczne techniki z badania rur, o wymagania norm EN oraz najnowsze rozwiązania uzyskane z Instytutu Dr Foerstera. Przeszukiwanie badanego drutu wykonywane jest przy względnym przemieszczaniu między sondą a drutem z zastosowaniem urządzenia mechanicznego, które dokładnie kontroluje ścieżkę przeszukiwania. Najbardziej odpowiednimi technikami pomiarowymi spośród wymienionych w EN [1 i 2] są : - Pomiar różnicowy - różnica dwóch pomiarów wykonanych w stałej odległości między punktami pomiarowymi i na tej samej ścieżce przeszukiwania.. - Pomiar podwójnie różnicowy - odejmowanie dwóch pomiarów różnicowych. Niniejsza technika pomiarowa zapewnia szerokopasmowe filtrowanie różnych pomiarów niezależnych od względnej prędkości między sondą a badanym wyrobem - Pomiar pseudoróżnicowy - różnica wyników dwóch pomiarów wykonanych w stałej odległości między punktami pomiarowymi Techniki te wymagają stosowania sond przelotowych różnicowych lub/i sond stykowych różnicowych. Na rys. 2 przedstawiono schemat sondy przelotowej różnicowej, która doskonale wykrywa punktowe nieciągłości wyrobu. Sygnały sond są zależne od stanu odcinka pręta będącego pod wpływem pola elektromagnetycznego wytworzonego przez sondę. Sygnały sond przelotowych są miarą na ogół większego odcinka pręta w porównaniu do sond stykowych Pręty i rury często są kontrolowane z użyciem sond stykowych, umieszczonych w głowicach wirujących dookoła wyrobu. Takie sondy stykowe umożliwiają, podczas procesu 3
wytwarzania, wykrywanie wzdłużnych nieciągłości o głębokościach większych niż około 25 mikro metrów. Sondy stykowe, stosowane do wykrywania nieciągłości materiałowych, mają małe gabaryty i są zasilane sygnałami o dużych częstotliwościach. Wytwarzają pole magnetyczne w stosunkowo małych odcinkach prętów. System badania gorącego drutu - DEFECTOMAT DS System badań[2]: Do badań stosuje się odpowiednią aparaturę metody prądów wirowych, sondę lub sondy, kabel lub kable połączeniowe. Taki układ, lub jego połączenie z urządzeniami zmechanizowanymi i urządzeniami pomocniczymi dla przechowywania danych itp., tworzą system badania. Badanie prądami wirowymi w linii produkcyjnej za pomocą aparatu DEFECTOMAT i cewkami przelotowymi DEFECTOTHERM jest historycznym zastosowaniem aparatury firmy FOERSTER. Od czasu wprowadzenia techniki komputerowej na początku lat 70. ocena statystyczna zbioru sygnałów generowanych przy rosnącej prędkości linii walcowniczych prowadzi do otrzymania wyników ilościowej oceny jakości. W przeszłości do takiej oceny, oprócz aparatu prądowirowego DEFECTOMAT, konieczne były komputery zewnętrzne lub PC ze specjalnym oprogramowaniem w najnowszej, znowelizowanej wersji HotRod. Obecnie firma FOERSTER po raz pierwszy oferuje zintegrowany system badania z aparatem DEFECTOMAT DS i oprogramowaniem V1.50. (rys. 4, 5 i 6). Rys. 4 Rys. 5. Rys. 6 Technika badania cewkami przelotowymi jest praktycznie jedyną możliwością 100- procentowej kontroli nieniszczącej walcówki drutowej podczas procesu walcowania w stanie gorącym o temperaturze do 1200 C i przy prędkościach do 120 m/s. Technika ta poza wykrywaniem pojedynczych nieciągłości daje także możliwość określenia zmian i nieregularności w procesie walcowania, a przez to umożliwia szybką reakcję poprzez lokalizację i eliminację przyczyny wytwarzaniem wadliwych wyrobów. Jest to gwarancja wysokiej jakości walcówki oraz minimalizacji kosztów produkcyjnych. Komputerowa ocena jakości prętów Najważniejszym zadaniem zintegrowanego systemu badania, a w szczególności jego oprogramowania jest zredukowanie zalewu sygnałów płynących z sond prądowirowych do rozsądnego ogólnego wyniku dla całej walcówki bez pomijania informacji lokalnych. Wprowadzono wskaźniki jakościowe QI, które otrzymuje się z komputerowych obliczeń według indywidualnie zdefiniowanych zmiennych: SQI wskażnik jakości odcinków prętów w obrębie jednej partii walcówki, RQI wskażnik jakości dla całej partii walcówki. Ponadto dostępna jest analiza trendu oceny jakości procesu produkcyjnego: 4
przez porównanie lokalnych wskaźników SQI na długości walcówki dla kolejnych partii w celu stwierdzenia anomalii związanych z walcarką, przez porównanie wskaźników RQI w ramach jednego wytopu/gatunku lub jednego zlecenia w celu stwierdzenia trendów opanowania jakości procesu produkcyjnego. Strategia oceny statystycznej Podstawową sprawą jest określenie kryteriów akceptacji dla sygnałów od nieciągłości wykrywanych w procesie badania prądami wirowymi. Na rys. 9 przedstawiono typowe rodzaje nieciągłości (wad gdy nieakceptowane), sygnały prądowirowe z sondy oraz ekran aparatu DEFECTOMAT DS z widocznymi poziomymi pasami o różnym cieniowaniu, które ułatwiają ocenę wskazań. Rys. 7 Kroki obliczania wskaźników jakości 1. Zdefiniowanie długości odcinka w przedziale od 0,1 do 1000 m. Liczba odcinków ocenianej partii wytwarzanych prętów okreśa się od 1 do n Rys. 8 Każdy z "n" odcinków podzielony jest na pewną liczbę segmentów pomiarowych SEU. Jest to najmniejsza jednostka pręta oceniana prądami wirowymi. Długość SEU zależy od parametrów sondy i prędkości badania. Minimalna długość segmentu SEU odpowiada efektywnej szerokości sondy (np. 3,5 mm), a maksymalna długość segmentu SEU wynosi około 180 mm przy prędkości 120 m/s. 5
2. Ustawienie progów F1 do F3: Sygnały prądowirowe podzielona na trzy wielkości F1, F2 i F3 w zależności od długości wykrytych nieciągłości, które ilustruje rys. 9 (wysokości sygnałów i strzałki przy ekranie Piece Image): F1 = 6 SEU, F2 = 3 SEU, F3 = ^ SEU Przykład na rys. 9: Każdy odcinek pręta zawiera 26 SEU Rys. 9 3. Ocena wskaźnika jakości SQI jednej partii walcówki Przykład dla SEU = 50 mm i długości jednego odcinka pręta 26 SEU x 50 mm = 1300 mm Długość wady Fx Dx = Fx / długość odcinka F3 = 50 mm D3 = 50 mm: 1300 mm 0,0385 F2 = 150 mm D2 = 150 mm : 1300 mm 0,1154 F1 = 300 mm D1 = 300 mm : 1300 mm 0,2308 Przykładowe wyniki oceny SQI wg ilości wadliwych segmentów SEU podano na rys 10 i 11. Rys. 10 Ekran "Section Sequence» na rys. 10 przedstawia wynik wszystkich odcinków wzdłuż jednej walcówki oraz wybik SQI odcinka zaznaczonego strzałką. 6
4 Ocena wskaźnika jakości RQI całej partii walcówki Wskaźnikk jakościowy całej partii produkcji drutu, np. określonego zlecenia jest wartością średnią: RQI = Σ SQI / n gdzie n jest, jak na rys. 8, liczbą odcinków zawierających ustaloną liczbę segmentów SEU. Przykłady wyników badania kolejnych całych długości partii pręta z zaznaczonymi odcinami wadliwymi zawiera rys.11. Rys. 11 Wyświetlony obraz "Wire rod Sequence" (rys.12) przedstawia wskaźniki RQI dla wszystkich partii prętów i dla wszystkich zleceń. HotRod1 oddzielony pionową linią jest początkiem nowego zlecenia. Rys.12 Obrazy na ekranie aparatu DEFECTOMAT DS. mogą być skonfigurowane zgodnie z potrzebami lub preferencjami użytkownika. Zastosowanie wyraźnych kolorów na wyświetlanych obrazach dostarcza wielu informacji już na pierwszy rzut oka. Będzie można przekonać się o tym podczas prezentacji referatu z rzutnika komputerowego. Na zakończenie przedstawiono na rys 13 i 14 przykład wyników badania dwóch partii prętów o średnicy 5,5 mm, które badano sondą o średnicy 9 mm z prędkością 65 m/s. 7
Rys. 13 Obraz sygnałów Piece Image od sondy prądów wirowych partii HotRod1 oraz obraz Section Sequence przedstawiający wadliwe odcinki na całej długości pręta. Jasnoszary kolor wskazuje poziom sygnału F1. Amplitudy F1 są na całej długości spowodowane wadliwą prowadnicą rolkową. Ciemnoszary kolor wskazuje poziom sygnału F2. Czarny kolor wskazuje poziom sygnału F3. Rys. 14 Ilustracja wyników partii pręta HotRod2. Zaznaczono kilka porów na długości pręta. Literatura [1] PN-EN 1330-5: Badania nieniszczące. Terminologia. Terminy stosowane w metodzie prądów wirowych [2] PN-EN 12084: Badania nieniszczące. Badania metodą prądów wirowych. Zasady ogólne i wytyczne [3] PN-EN 1971: Miedź i stopy miedzi. Badanie prądami wirowymi [4] PN-EN 1711: Badania nieniszczące złączy spawanych. Badania prądami wirowymi złączy spawanych poprzez analizę płaszczyzny zespolonej [5] PN-EN 10246-2: Automatyczne badanie metodą prądów wirowych austenitycznych i austenitycznoferrytycznych rur stalowych bez szwu i spawanych (z wyłączeniem rur spawanych łukiem krytym) w celu sprawdzenia szczelności hydraulicznej [8] PN-EN10246-3: Automatyczne badanie prądami wirowymi stalowych rur bez szwu i spawanych (z wyłączeniem rur spawanych łukiem krytym) w celu wykrycia nieciągłości [9] PN-EN ISO 2360: Powłoki nieprzewodzące na podłożu niemagnetycznym. Pomiar grubości powłok. Metoda prądów wirowych [10] EN 13860-1(U): Badania nieniszczące. Badania metodą prądów wirowych. Sprawdzanie i charakteryzowanie wyposażenia. Arkusz 1. Sprawdzanie i charakteryzowanie przyrządu. [11] EN 13860-2(U): Arkusz 2. Sprawdzanie i charakteryzowanie sond [12] PrEN 13860-3: Arkusz 3. Sprawdzanie i charakteryzowanie systemu 8