Badania penetracyjne - pt

Metoda badań penetracyjnych znana jest już od ponad 100 lat. Po obróbce skrawaniem elementu ze stali i obróbce cieplnej, istniała potrzeba oczyszczenia elementów, chłodzonych w kąpieli olejowej. Pracownik zamiast czyścić przy pomocy szmatki na elementy rozsypał szlamowaną kredę, a dzięki efektowi działania bibuły olej został odessany. Zaobserwowano, występowanie dużych plam oleju w miejscach występowania wad, które na powierzchni kredy stały się dobrze widoczne. W następnych latach metoda ta została ulepszona, znana dziś jako metoda badania penetracyjnego. 

 

 

Zdjęcie badania penetracyjnego
Badanie penetracyjne

 

Zwiększająca się stale wiedza z zakresu inżynierii materiałowej pozwala dziś na stosowanie znacznie szerszego zakresu materiałów konstrukcyjnych niż było to pół wieku temu. Konsekwencją tego jest to, że dopuszczalne są niezgodności o coraz mniejszym wymiarze. Pęknięcia na powierzchni mogą być krytyczne, zanim wykrywane będą okiem nieuzbrojonym. Przez to badania wizualne uzbrojonym okiem już nie wystarczą. Dlatego zostały opracowane metody o podwyższonej stopniu wykrywalności niezgodności powierzchniowych. 

 

Zakres stosowania metody  

Badania penetracyjne opierają się głównie na wykorzystaniu zjawiska kapilarności, czyli wnikania cieczy w kapilary. Istotną rolę odgrywa przy tym napięcie powierzchniowe cieczy, zwilżalność materiału oraz szerokość szczeliny. 

 

Badania penetracyjne nadają się do wykrycia niezgodności takich jak pęknięcia, pory, przyklejenia, zakucia, które są otwarte i wychodzą na powierzchnię. Metoda może być stosowana dla szerokiego zakresu materiałów, które nie są zbyt mocno porowate a ich nieciągłości wychodzące na zewnątrz nie są zamknięte przez inne medium. 

 

Metoda ta znajduje zastosowanie głównie dla elementów metalowych takich jak spoiny, elementy kute czy odlewane.Często stosuje się ją w przypadku materiałów niemagnetycznych takich jak stale austenityczne, stopy aluminium, tytan itp. Wynikiem badania penetracyjnego jest wskazanie miejsc wadliwych o charakterze liniowym lub nieliniowym.

 

Przeprowadzenie badania penetracyjnego 

Przed rozpoczęciem badania penetracyjnego powierzchnia badania musi być oczyszczona tak, by wszystkie niezgodności były otwarte i wychodziły na powierzchnię. Następnie nanoszony jest odpowiedni penetrant (zabarwiony środek na bazie oleju lub glikolu), który wnika w drobne szczeliny (niezgodności) wychodzące na powierzchnię takie jak pęknięcia czy pory. Po odpowiednio długim czasie penetracji usuwa się nadmiar penetranta z badanej powierzchni w sposób, by nie dopuścić do wymywania penetranta ze szczeliny np. pęknięcia. Następnie nanoszony jest wywoływacz w postaci białego proszku, który wyciąga pozostałości penetranta na powierzchnię i doprowadza do jej zabarwienia kolorem czerwonym. Należy pamiętać że plama po wywołaniu jest znacznie większa od wykrytej niezgodności. 

 

W przypadku stosowania różnych metod badawczych, badania poprzedzające metodę penetracyjną nie mogą spowodować zamknięcia wad wychodzących na powierzchnię.

 

Etapy badania penetracyjnego
Rys. 1  Etapy badania penetracyjnego: a) Przygotowanie powierzchni (czyszczenie), b) Nanoszenie  penetranta, c) Usuwanie nadmiaru penetranta, d) Wywoływanie i oględziny. 

 

Główne etapy badania penetracyjnego: 

  1. Czyszczenie wstępne i suszenie 
  2. Nanoszenie penetranta 
  3. Czyszczenie pośrednie (usuwanie nadmiaru penetranta) 
  4. Wywoływanie 
  5. Kontrola 
  6. Protokołowanie 
  7. Czyszczenie końcowe

 

System badania penetracyjnego 

Procedurę prowadzenia badania penetracyjnego określa norma PN-EN 571-1.  

System badania penetracyjnego to kombinacja trzech komponentów: 

  • Penetranta 
  • Zmywacza (rozpuszczalnik, woda) 
  • Wywoływacza 

Do systemu nie są zaliczane inne środki służące do czyszczenie wstępnego i ostatecznego.  

 

Przez wzorcowanie określa się klasę czułości systemu badania penetracyjnego. 

 

PENETRANT ZMYWACZ WYWOŁYWACZ
Oznaczenie Nazwa Oznaczenie Nazwa Oznaczenie Nazwa
I Penetrant fluoroscencyjny A Woda a Suchy
II Penetrant barwny B Emulgator lipofilowy
  1. Emulgator na bazie oleju.
  2. Zmywanie bieżącą wodą
Rozpuszczalnik (ciekły)
b Wodny rozpuszczalny
C Rozpuszczalnik (ciekły) c Wodny zawiesinowy
III Penetrant fluorescencyjny (o podwójnym zastosowaniu- penetrant fluorescencyjny barwny) D Emulgator hydrofilowy
  1. Zmywanie wstępne (wodą).
  2. Emulgator (rozpuszczalny wodą)
  3. Zmywanie końcowe (wodą)
d Rozpuszczalnikowy (nie wodny)
e Wodny lub rozpuszczalnikowy do zastosowań specjalnych (np. wywoływacz odrywalny)

Tabela 1. Systemy badania penetracyjnego 

 

Budowa oznaczenia systemu np. EN 571-1- I A a 

Symbol 

Znaczenie symbolu 

EN 571-1 

Oznaczenie i numer normy 

Penetrant 

Zmywacz 

Wywoływacz 

 

Przykłady oznaczeń systemów badania: EN 571-1- II E d 

Symbol 

Znaczenie symbolu 

EN 571-1 

Oznaczenie i numer normy 

II 

Penetrant barwny 

Zmywacz jako woda i rozpuszczalnik 

Wywoływacz rozpuszczalnikowy (niewodny) 

 

EN 571-1- II A d 

Symbol 

Znaczenie symbolu 

EN 571-1 

Oznaczenie i numer normy 

II 

Penetrant barwny 

Zmywacz jako woda  

Wywoływacz rozpuszczalnikowy (niewodny) 

 

Czyszczenie wstępne i suszenie 

Pęknięcie musi być otwarte na powierzchnie, wolne od zanieczyszczeń i płynów, które usuwa się za pomocą czyszczenia mechanicznego, chemicznego lub opalania. 

 

Czyszczenie mechaniczne odbywa się za pomocą szczotkowania, szlifowania czy piaskowania. Należy pamiętać by przez te metody czyszczenia powierzchnie nie zostały zamknięte. 

 

Czyszczenie chemiczne polega na odtłuszczeniu, trawieniu lub rozpuszczeniu zabrudzenia na czyszczonej powierzchni. 

 

Opalanie służy do usuwania powłoki zendry. 

 

Przykłady czyszczenia wstępnego  

  • Elementy obrabiane mechanicznie podczas chłodzenia narzędzia i materiału obrabianego są chłodzone za pomocą emulsji olej-woda (olej wiertniczy). Wadą emulsji jest to że działa ona jak penetrant przez co wady dla właściwego penetranta są już zamknięte. Można spróbować usunąć emulsję za pomocą procesu, który należy wykonać w podanej kolejności tj. rozpuścić środek smarowniczy (emulsję) za pomocą rozpuszczalnika, suszyć poprzez podgrzanie, aby woda wyparowała. W momencie niezachowania odpowiedniej kolejności może dojść do wytworzenia się żelu. Ze względu na przewidywane badania penetracyjne należy użyć innej substancji chłodzącej. 

  • Elementy ze stali austenitycznej podczas obróbki mechanicznej mają podobną tendencję co opisana wyżej. Ostatecznie powierzchnie obrobione z tych stali poddane jest trawieniu. Stale austenityczne o wysokiej ciągliwości, nie powinny być piaskowane, ponieważ wady powierzchniowe mogą zostać zamknięte, co spowoduje brak możliwości przeprowadzenia badania. 

  • Spoiny - naturalna powierzchnia spoin nie nadaje się do badania penetracyjnego. Powinna ona być oczyszczona z zendry, podtopień i odprysków spawalniczych. 

  • Odlewy - stan powierzchni nie pozwala na wykonanie badań penetracyjnych, należy go przygotować przez obróbkę mechaniczną np. piaskowanie. Piaskowanie raczej nie powinno zamknąć powierzchni, gdyż wady w odlewach są dość spore. 

  • Aluminium - warstewka tlenków na powierzchni aluminium nie jest przeszkodą w badaniu penetracyjnym, nie trzeba jej trawić, a piaskowanie też nie zamyka wad. Dużym problemem tutaj jest powłoka ochronna, która może zamknąć występujące pęknięcia. Dodatkowe problemy związane są z zabarwieniem powierzchni przez penetrant a przez obróbkę mechaniczną istnieje możliwość zamknięcia wad powierzchniowych. Dlatego dla wykrycia małych pęknięć należy najpierw poddać powierzchnię trawieniu.  

 

Nanoszenie penetranta 

Penetrant może być nanoszony na powierzchnię badana poprzez zanurzenie, rozpylanie, nanoszenie pędzlem lub polewanie. Czas penetracji uzależniony jest od własności penetranta, temperatury badania, materiału oraz od rodzaju i wielkości poszukiwanych wad. Waha się on w przedziale 5-60 minut. 

 

Zdolność wnikania penetranta uzależniona jest od: 

  1. Własności penetranta (gęstości, napięcia powierzchniowego) 
  2. Własności materiału (zwilżalności, kąta zwilżania) 
  3. Temperatury i wielkości wad 

 

Lepkość wpływa na prędkość penetracji i dlatego jest decydująca dla ustalenia czasu penetracji. Lepkość zależy w głównej mierze od jej temperatury. Czyli czas penetracji zawsze związany jest z temperaturą badanej powierzchni. 

 

Ciśnienie pary jest to ciśnienie, pod wpływem którego ponad cieczą powstaje para. 

  • Ciśnienie zależy od temperatury powierzchni - czym wyższa temperatura powierzchni tym wyższe ciśnienie pary. 
  • Wysokie ciśnienie pary wpływa na szybkie odparowanie. Dla penetranta ważne jest by powierzchni wnikania miała niskie ciśnienie pary, by penetrant za szybko nie wyparował przez za wysoką temperaturą. 
  • Optymalna temperatura badanej powierzchni dla penetranta to zakres 10-50°C. 
  • Temperatury wyższe niż 50°C powodują szybsze odparowanie glikolu i żelowanie penetranta co jest wynikiem braku dobrego zwilżenia powierzchni i penetracji penetranta 
  • Temperatury niższe niż 10°C powodują zmniejszenie prędkości wnikania i wydłużenia czasu penetracji. Wymagany specjalny penetrant dopuszczonego do danego zakresu temperatur. Dodatkowo powstaje zagrożenie, że w niskich temperaturach w pęknięciach znajduje się wilgoć. W temperaturach poniżej 0°C badanie jest niemożliwe, gdyż w pęknięciach znajduje się lód. 

 

Zmywanie penetranta 

Celem czyszczenia pośredniego jest usunięcie nadmiaru penetranta z badanej powierzchni po upływie czasu penetracji. Ważnym aspektem jest niewymywanie penetranta ze szczelin niezgodności powierzchniowych. 

 

Powierzchnie czyszczone z penetranta fluorescencyjnego powinny być sprawdzony w świetle UV. 

 

Przy doborze zmywacza należy pamiętać jaki został użyty penetrant. 

Oznaczenie 

Nazwa 

Opis 

Woda 

Należy pamiętać by nie używać dużego strumienia wody przy zmywaniu penetranta, nie powinno się także zanurzać badanej powierzchni. Ponieważ penetrant już zawiera emulgator istnieje niebezpieczeństwo jego zmycia. 

Emulgator lipofilowy 

  1. Emulgator na bazie oleju 

  2. Zmywanie bieżącą wodą 

Przez naniesienie emulatora na powierzchnię, penetrant zostaje doprowadzony do stanu zmywalnego wodą i może być nią zmywany, bez zagrożenia, że zostanie wymyty z np. pęknięć. Czas emulgacji powinien być bezwzględnie przestrzegany. 

Tabela 2. Zasada działania zmywaczy 

 

Oznaczenie 

Nazwa 

Opis 

Rozpuszczalnik ciekły 

Nadmiar penetranta należy usunąć za pomocą szmatki lub bibułą, pamiętając by szmatka się nie strzępiła.  Na samym końcu następuje zmywanie szmatką zanurzoną w rozpuszczalniku. 

 

Emulgator hydrofilowy 

  1. Zmywanie wstępne wodą 

  2. Emulgator rozpuszczalny wodą 

  3. Zmywanie końcowe wodą 

 

Po zgrubnym zmyciu penetranta za pomocą wody następuje dalsza obróbka jaka opisana została w punkcie B. 

Woda i rozpuszczalnik 

Po zmyciu nadmiaru penetranta za pomocą wody następuje ponowne zmywanie szmatką zanurzoną w rozpuszczalniku. 

Tabela 2. Zasada działania zmywaczy-cd. 

 

Wywołanie 

Po zakończeniu czyszczenia i w następnej kolejności suszenia powierzchni badanej następuje wywoływanie. Do tego celu stosuje się wywoływacz, który w dobry sposób absorbuje penetrant wyciągając go na powierzchnię uwidaczniając niezgodność. 

 

Wywoływacz nanosi się bezpośrednio z pojemnika pod ciśnieniem równomierną warstwą. Grubość warstwy powinna zakrywać powierzchnię badaną. Zbyt gruba powierzchnia zakryje wadę, zbyt cienka utrudni widoczność.  

 

Penetrant i wywoływacz powinien należeć do tego samego systemu być tego samego producenta. 

 

Zadania wywoływacza: 

  • Wsparcie zwilżania zwrotnego penetranta poprzez jego wyssanie z miejsc wadliwych 
  • Stworzenie tła kontrastowego 
  • Absorbcja światła UV(A) przy badaniu penetrantami fluorescencyjnymi. 

Czas wywoływania wacha się w zakresie 10-30 minut. Może być dłuższy zależy to od wielkości szukanych wad. Czas wywoływania jest to czas, po miedzy którym następuje wyschnięcie wywoływacza a zakończeniem oceny.  

 

Ten czas uzależniony jest od: 

  • Własności wywoływacza 
  • Temperatury badanego elementu 
  • Rodzaj materiału 
  • Wielkości poszukiwanych wad 

 

Kontrola i ocena wskazań 

Kontrolę powinno się przeprowadzić zaraz po naniesieniu i odparowaniu penetranta na badana powierzchnię. Następne kontrole powinny być przeprowadzana w równych odstępach czasowych np. co 5 min, można wtedy zaobserwować dynamikę rozwoju wskazania. Właściwa ocena wskazania następuje dopiero po upływie odpowiedniego czasu wywołania. 

 

Ocena wskazań powinna być prowadzona przy świetle dziennym lub sztucznym o natężeniu oświetlenia na powierzchni badanej ≥ 500 lx. 

 

W metodzie fluoroscencyjnej otrzymuje się żółto-zielone wskazania na fioletowo-niebieskim tle. Są one rozpoznawalne tylko w świetle UV(A). Ocenę wskazań przeprowadza się w świetle UV(A) o długości fali rzędu 365 nm (±20nm) i natężeniu promieniowania od 10W/m2. Jednak nie większym niż 50W/m2. Pozostałość światła białego nie może przekraczać 20lx. 

 

Kolejną ważną informacją jest to, że lampa powinna rozgrzewać się przed przystąpieniem do oceny przez min. 10 min oraz czas adaptacji wzroku badacza kolejne 10 min. 

Protokół badania obiektu powinien zawierać: 

  • Informacje dotyczące osoby wykonującej badanie, miejsce i datę badania 
  • Informacje dotyczące badanego obiektu 
  • Informacje dotyczące wymagań i zakresu badania 
  • Informacje dotyczące techniki badania 
  • Wyniki badań 

 

Czyszczenie końcowe 

Czyszczenie końcowe po badaniach powinno być wykonane z powodów wizualnych, zapobieżeniem korozji, czystością powierzchni potrzebnej do dalszego procesu produkcji czy stosowanie kolejnych badań nieniszczących. 

 

Literatura: 

[1] – TUV Akademia Polska Sp. z o.o – Szkolenie podstawowe 'BASIC' -3 stopień PT -2007rok 

oraz wykaz norm: 

1. PN-EN ISO 12706 Badania nieniszczące – Terminologia – Terminy stosowane w badaniach penetracyjnych 
2. PN-EN 571-1 Badania nieniszczące – Badania penetracyjne – Zasady ogólne 
3. PN-EN ISO 3452-2 Badania nieniszczące – Badania penetracyjne – Część 2: Badania materiałów penetracyjnych  
4. PN-EN ISO 3452-3 Badania nieniszczące – Badania penetracyjne – Część 3: Próbki odniesienia 
5. PN-EN ISO 3452-4 Badania nieniszczące – Badania penetracyjne – Część4: Wyposażenie 
6. PN-EN ISO 3059 Badania nieniszczące – Badania penetracyjne i magnetyczno-proszkowe – Warunki obserwacji 
7. PN-EN 1289 Badania nieniszczące złączy spawanych – Badania penetracyjne złączy spawanych – Poziomy akceptacji 
8. PN-EN 10228-2 Badania nieniszczące odkuwek stalowych – Badanie penetracyjne 
9. PN-EN 1371-1 Odlewnictwo – Badania penetracyjne – Część 1: Odlewy wykonane w formach piaskowych, kokilkach i pod niskim ciśnieniem 
10. PN-EN 1371-2 Odlewnictwo – Badania penetracyjne – Część 2: Odlewy wykonane metodą wytapianych metali 
11. PN-EN 10246-11 Badania nieniszczące rur stalowych – Część 11: Badanie penetracyjne stalowych rur bez szwu i spawanych w celu wykrycia nieciągłości powierzchniowych 
12. PN-EN 1370 Odlewnictwo – Badanie chropowatości powierzchni za pomocą wzorców wzrokowo-dotykowych