211

3.26. Ultrazvučna ispitivanja Metoda ultrazvuka – emitovanje zvučnih talasa kroz materijal. Šta je ultrazvuk? Zvuk koji je generisan iznad dometa ljudskog sluha, obično preko 20 kHz. Međutim, frekvencijski opseg koji se koristi u ultrazvučnom ispitivanju bez razaranja kao i pri merenju debljine kreće se u opsegu od 100 kHz do 50 MHz. Ultrazvuk ima kratke talasne dužine, te se koristi za otkrivanje defekata unutar materijala, na malim površinama.

Slika 3.220. Frekvencijski opseg

Frekvencija, perioda i talasna dužina Ultrazvučni vibracije putuju u obliku talasa, na sličan način kao što svetlost putuje. Međutim, za razliku od svetlosnih talasa, koji mogu putovati u vakuumu (prazan prostor), ultrazvuk zahteva medijum: kruto telo ili tečnosti. Osnovni parametri kontinuiranog talasa:

- talasna dužina (λ) i - period (T).

Slika 3.221. Definisanje parametara kontinuiranog talasa

Broj ciklusa u jednoj sekundi se naziva frekvencija (f) i meri se u Hertz (Hz):

• 1 ciklus / sekundi = 1 Hz • 1000 ciklusa / sekundi = 1 kHz • 1000000 ciklusa / sekundi = 1 MHz

Vreme potrebno za završetak potpunog ciklusa je period (T). Odnos frekvencije i perioda pri kontinualnom talasu je: 1 f = 1 / T

212

Brzina ultrazvuka i talasna dužina Brzina ultrazvuka (c) u savršeno elastičnom materijalu, na datoj temperaturi i pritisku je konstantan. Odnos C, f, l i T je: 2 l = c / f ; 3 l = c T

l – talasna dužina, c – brzina zvuka kroz materijal, f – frekvencija, T – vreme (period).

Kod kretanja ultrazvuka kroz materijal veoma je važna akustična impedancija (c). Ona je za svaki materijal poznata ali se znatno razlikuje od jednog do drugog materijala. Tabela 3.42. Akustičke osobine materijala

Longitudinalna brzina prostiranja talasa (uzdužna)

Smičuća brzina prostiranja talasa (posmični)

Akustička impedansa Materijal

[in/µs] [m/s] [in/µs] [m/s] [kg/m2s x 106] Acrylic smola (Perspex®) 0.107 2730 0.056 1430 3.22 Aluminijum 0.249 6320 0.123 3130 17.05 Berilijum 0.508 12900 0.350 8880 23.5 Mesing 0.174 4430 0.083 2120 37.30 Kadmijum 0.109 2780 0.059 1500 24.02 Kolumbijum 0.194 4920 0.083 2100 42.16 Bakar 0.183 4660 0.089 2260 41.61 Glicerin 0.076 1920 - - 2.42 Zlato 0.128 3240 0.047 1200 62.60 Inconel® 0.229 5820 0.119 3020 49.47 Gvožđe 0.232 5900 0.127 3230 45.43 Gvođže, odlivak (sporo) 0.138 3500 0.087 2200 25.00 Gvođže, odlivak (brzo) 0.220 5600 0.126 3220 40.00 Olovo 0.065 2160 0.028 700 24.49 Mangan 0.183 4660 0.093 2350 34.44 Živa 0.057 1450 - - 19.66 Molibden 0.246 6250 0.132 3350 63.75 Motorno ulje (SAE 20 ili 30) 0.069 1740 - - 1.51 Nikl, bez primesa 0.222 5630 0.117 2960 49.99 Platina 0.156 3960 0.066 1670 84.74 Poliamid (najlon, Perlon®), (sporo) 0.067 2200 0.043 1100 2.40 Poliamid (najlon, Perlon®), (brzo) 0.102 2600 0.047 1200 3.10 Polistiren polivinilhlorid 0.092 2340 - - 2.47 PVC, tvrdi 0.094 2395 0.042 1060 3.35 Srebro 0.142 3600 0.063 1590 37.76 Čelik 1020 0.232 5890 0.128 3240 45.63 Čelik 4340 0.230 5850 0.128 3240 45.63 Čelik 302, austenitni nerđajući 0.223 5660 0.123 3120 45.45 Čelik 347, austenitni nerđajući 0.226 5740 0.122 3090 45.40 Kalaj 0.131 3320 0.066 1670 24.20 Titanijum 0.240 6100 0.123 3120 27.69 Tungsten 0.204 5180 0.113 2870 99.72 Uranijum 0.133 3370 0.078 1960 63.02 Voda (20 oC) 0.058 1490 - - 1.48 Cink 0.164 4170 0.095 2410 29.61 Cirkonijum 0.183 4650 0.089 2250 30.13

213

Širenje talasa i kretanje čestica Talasi se mogu kretati uzdužno i to je većinom slučaj kod tečnosti i gasova, i poprečno kod krutih tela. Znači, najčešće metode ultrazvučnog pregleda koriste bilo longitudinalne (uzdužne) talase ili posmične (poprečne) talase. Postoje i ostali oblici širenja zvuka, uključujući površinske talase i takozvane treperave talase.

- uzdužni talas je komprimovani, sabijeni talas gde je gibanje čestica u istom smeru kao i širenje talasa;

- posmični talas je talas gde je kretanje čestica u vidu gibanja i upravno (pod pravim uglom) na smer širenja;

- površinski (Rayleigh) talasi imaju eliptičano kretanje čestica i samim tim i putovanje kroz površinu nekog materijala; njihova je brzina otprilike 90% od posmične brzine talasa kroz materijal, i njihova dubina prodiranja je približno jednaka jednoj talasnoj dužini;

- treperavi (ili ’’tanjirasti’’) talasi su kompleks padajućih vibracija sa kružnim kretanjem čestica, gdje se najmanja talasna dužina ultrazvuka koristi za merenje.

Slika 3.222. Uzdužni i poprečni talasi Primena ultrazvuka Ultrazvučno ispitivanje bez razaranja uvodi visoke frekvencije zvučnih talasa u ispitivani sistem da bi se dobila informacija o sistemu bez menjanja ili narušavaja ga na bilo koji način. Dve su osnovne veličine merenja kod ultrazvučnog ispitivanja:

- vreme prostiranja ili iznos vremena kada zvuk putuje kroz uzorak, i - amplitude primljenih signala.

Zasnovano na brzini i povratnog vremenskog signala prostiranja kroz materijal, debljina materijala može se izračunati na sledeći način: 4 T = c ts / 2

T – debljina materijala, c – brzina zvuka kroz dati materijal, ts – vreme prostiranja.

214

Merenja relativne promene amplitude signala se može koristiti u kalibraciji napukline ili merenje prigušenja od materijala. Relativna promena amplitude signala se obično meri decibelima. Decibel vrednosti su vrednosti logaritamskog opsega dva signala amplitude. To se može izračunati pomoću jednačine (neki korisni odnosi se prikazani u tabeli 3.43): 5 dB = 20log10(A1/A2)

dB – decibel A1 – amplituda signala 1 A2 – amplituda signala 2

Tabela 3.43. Akustičke osobine materijala

2A1A Odnos dB

%71.70%100 1.4142 3

%50%100 2 6

%25%100 4 12

%10%100 10 20

%1%100 100 40

Ultrazvučna metoda kontrole kvaliteta zasniva se na svojstvu ultrazvuka da se širi kroz homogene materijale i da se odbija na granici materijala različitih akustičkih osobina (otpornosti), odnosno od nehomogenosti (grešaka) u materijalu. Od izvora ultrazvuka šire se ultrazvučni talasi kroz materijal koji se kontroliše. Ako u materijalu postoji greška, iza nje će, zavisno od vrste greške, ultrazvučni talasi oslabiti ili se neće pojaviti (odbiju se od greške) Ultrazvuk je vrsta mehaničkih talasa frekvencije od 20 kHz do 10 GHz, a kod ispitivanja materijala najčešće se koriste frekvencije od 0,5 MHz do 10 MHz. Iako postoje različite tehnike ultrazvučnog ispitivanja, obično se u praksi koristi metoda impuls – odjek , metoda prozvučavanja i metoda rezonance, pri čemu se koriste ravne i/ili ugaone ultrazvučne glave. Na slici je prikazan shematski princip ultrazvučnog ispitivanja.

. Slika 3.223. Shematski princip ultrazvučnog ispitivanja

215

Primarna klasifikacija ispitivanja: 1. Detekcija reflektorima 2. Lokacija reflektorima 3. Evaluacija reflektorima 4. Dijagnoza reflektorima

Umesto reči reflektor, često se koristi izraz "diskontinuitet“ – "nepravilnost u ispitivanom sistemu koje se sumnja da je defekt ". U stvarnost, tek nakon lociranja, evaluacije i dijagnoze, može biti određeno da li ili ne postoji defekt (mana). Izraz "diskontinuitet" se uvek koristi sve dok nije sigurno da li je u pitanju defekt (mana), a što znači nedopuštena nepravilnost. Osnovni "alat" ultrazvučnog operatora je sonda.

Ravna sonda Sonda pod uglom . Slika 3.224. Osnovne sonde

Svaka sonda ima određena usmerenja, to jest ultrazvučni talasi pokrivaju samo određeni deo objekta. Zvučni snop može se grubo podeliti u jedno konvergentno (fokusirano) područje, i odvojeno (široko) područje, daleko polje. Ugao divergencije zavisi od prečnika elementa, njegove frekvencije i brzine zvuka materijala koji će se testirati.

Slika 3.225. Princip prostiranja ultrazvuka preko sonde

216

Volumetrijski diskontinuitet (šupalj prostor, strani materijal) odražava zvuk talasa u različitim smerovima (slika 3.226).

Slika 3.226

Ultrazvučnom defektoskopijom se ne određuju greške nego njome određujemo veličinu, položaj i orijentaciju greške. Zato je za kvalitetno provođenje potrebno mnogo iskustva i znanja što je i prednost i nedostatak kod primene ove metode. Prednosti primene ultrazvučnih metoda kontrole kvaliteta zavarenih spojeva (najčešća primena):

- nije bitna debljina predmeta; - potreban je pristup samo s jedne strane; - okolina nema uticaj na metodu; - uređaj i pribor su mali i lako prenosivi; - provođenje ne zahteva zaštitna sredstva i dr.

Nedostaci su:

- složeni oblici mogu biti nepogodni za provođenje; - uvežbavanje operatora je dugotrajno i - pouzdano određivanje greške zahteva pristup s više strana, a time i značajan utrošak vremena.

Bez obzira na nedostatke ova metoda je u širokoj primeni u kontroli zavarenih spojeva. Posebno je prikladan za otkrivanje pukotina, ali se koristi i za otkrivanje drugih grešaka.

Ravna sonda Dvostruka sonda Ugaona sonda

Slika 3.227. Tipovi sondi

Slika 3.228. Izvedeni tipovi sondi

217

3.27. Radiografska ispitivanja Greške (pukotine) se fotografišu X ili gama zracima iz radioaktivnog izvora i posebnim fotografskim materijalom. Otkrivaju se i promene debljine od 2%.

Slika 3.229. Spektar

Metoda prozračavanjem Ispitivanje prozračavanjem vrši se pomoću elektromagnetnih talasa, koji imaju malu talasnu dužinu, a veliku učestalost. Ovi talasi su sposobni da prodiru kroz čvrste materijale, deluju na film, joniziraju neke gasove i izazivaju fluorescenciju nekih materijala. Na pravac kretanja ovih zraka nemaju uticaja ni magnetna ni električna polja, što znači da oni nisu nosioci električnog naboja. Najčešće se primenjuju X-zraci ili rendgen zraci i γ - zraci. Rentgensko ispitivanje – X zraci Ovi zraci imaju sledeće karakteristike:

- energija zraka se smanjuje pri prolazu kroz materije (što je veća gustina materije time se više smanjuje energija),

- sposobni su izazivati fotohemijske reakcije, što omogućava da se registruje greška unutar materijala,

- sposobni su da izazivaju fluorescenciju nekih materijala, npr. ZnS, CaWO4,CdS i druge; ovo svojstvo omogućava vizuelno posmatranje kvaliteta materijala na ekranu,

- sposobni su da joniziraju gasove i - imaju štetno dejstvo na žive organizme.

Pošto ovi zraci imaju štetno dejstvo na žive organizme, moraju se preduzeti posebne mere zaštite na radu sa X-zracima i γ-zracima. Jedan od veoma efikasnih načina zaštite od zračenja je udaljavanje od izvora ovih zraka, pošto intenzitet zračenja opada sa kvadratom rastojanja. Da bi smo otkrili prisustvo ovog zračenja, koristimo se raznim detektorima zračenja, kao npr. Gajger-Milerovim brojačem. Za otkrivanje i registraciju grešaka u materijalima pomoću X –zraka i γ-zraka koristimo se sledećim metodama:

- fotografski metod, - fluorescentni metod i - metod jonizacije.

218

Najčešće se koristimo fotografskim metodama. Specijalni film na kome je emulzija nanesena sa obe strane, postavlja se sa jedne strane predmeta, a sa druge se vrši prozračavanje. Ako je ispitivani materijal homogen, tj. bez greške, tada će izlazni snop zraka imati isti intenzitet, pa će i osvetljenje filma biti ravnomerno. Pri prolazu ovih zraka kroz nehomogeni materijal dolazi do različite apsorpcije. Zahvaljujući različitoj apsorpciji imamo različito ozračenje filma postavljenog iza ispitivanog materijala. Zavisno od prirode grešaka (gasni mehur, troska, pukotina itd.), tj. od njene gustine imaćemo veće ili manje zacrnjenje filma. Što je gustina materijala manja, to će više zraka proći kroz predmet i imaćemo veće zacrnjenje filma.

Slika 3.230. Princip rentgenskog ispitivanja

Da bi povećali intenzitet zračenja na film, koristimo se folijama za pojačanje. Mogu biti:

- fluorescentne ili slane folije i - olovne folije.

Kad fluorescentnih ili slanih folija, na tankoj podlozi nanesene su fluorescentne materije, koje pod dejstvom zračenja počinju emitovanje svetlosti. Ovo dopunsko zračenje deluje na film i na taj način dobijamo sliku boljeg kvaliteta. Rendgenski zraci su elektromagnetski talasi sa malim talasnim dužinama. Kod tehničkih dijagnoza upotrebljava se spektar 0,01-1 Å. Zraci veće talasne dužine imaju oznaku «meke», a zraci manje talasne dužine su «tvrđe». Tvrđi zraci lakše prodiru u materijal i manje se apsorbuju u materijalu. Zraci su skup individualnih talasa zvani fotoni. Rendgenski zraci nastaju kad elektroni velikom brzinom pogađaju volframovu anodu u rendgenskoj cevi. Iz rendgenske cevi šalju se zraci prema predmetu koji će se kontrolisati. Što je deblji materijal više zraka se apsorbuje. Ako se u metalu nalaze mehurići ili pukotine, zraci lakše prolaze. Ovi zraci crne fotografski film, koji je plasiran ispod predmeta ispitivanja, više nego zraci koji su prošli kroz materijal bez grešaka. Ova metoda se puno upotrebljava kod ispitivanja vara. Kod rendgenskih ispitivanja debljina ploča je ograničena na 100 mm. Olovne folije imaju slabiji efekat. Uzimaju se olovne folije debljine 0,1 do 0,25 mm. Pod dejstvom X i γ-zraka na olovne folije, dolazi do emitovanja elektrona koji dejstvuju na film.

219

Fluorescentnim metodoma se koristimo za neposredno posmatranje predmeta na fluorescentnom ekranu. X-zraci, posle prolaza kroz ispitivani materijal, padaju na ekran sa kojeg se slika reflektuje na ogledalo za posmatranje. Metod jonizacije zasnovan je na osobini X-zraka da izazivaju jonizaciju gasova. Prolaskom X-zraka kroz gas dolazi do delimične apsorpcije i pojave foto- elektrona koji se mogu registrovati u jonizacionim komorama. Ovom metodom moguće je posmatrati manje površine predmeta, a postižu se veoma dobri rezultati. Ispitivanje X-zracima naziva se rendegenografija, a ispitivanje γ-zracima, gamagrafija.

Slika 3.231. Definisanje anomalija X – zracima

Slika 3.232. Pronalaženje defekata u varovima

Poroznost

Uključci troske

220

Ispitivanje gama (γ) zracima Ovo ispitivanja imaju za cilj otkrivanje grešaka u unutrašnjosti predmeta, kao što su: odlivci, otkivci, zavareni spojevi, rezervoari itd. Princip je sličan kao i pri ispitivanju s rendgen zracima. Ispitivanje se sastoji od ozračavanja predmeta iza kojeg se postavlja film, na kojem dobijamo sliku unutrašnjosti predmeta. Gama zraci nastaju spontanim raspadanjem prirodnih radioaktivnih elemenata ili veštačkih radioaktivnih izotopa. Gama zračenje se ne može regulisati izvana i ono je konstantno za određeni period vremena koji je različit za različite elemente. Vremenski interval u kome se raspada polovina atoma naziva se periodom poluraspada. Period poluraspada za razne radioaktivne elemente se menja u veoma širokim granicama. Tako, npr. za radijum (88 Ra226) iznosi 1590 godina, za torijum (90 To232) je 1,39·1010 godina, za iridijum (77 Ir92) svega 74 dana. Zahvaljujući maloj talasnoj dužini, a veoma velikoj učestalosti (0,25 do 0,60) · 1010 Hz, ovi talasi imaju svojstvo da prodiru kroz čvrste materije u većoj meri nego rendgenski zraci. Na slici 3.233 je prikazana shema ispitivanja pomoću gama zraka. Radioaktivni elemenat (2) smešten je u komoru (1) i kroz koničan otvor emituje gama zrake, koji padaju na površinu predmeta (4). Prolazeći kroz predmet zraci prolaze i kroz film (5). Zavisno od gustine predmeta imaćemo veće ili manje zacrnjenje slike. Iza filma postavljena je olovna ploča, koja apsorbuje zrake koji prolaze kroz predmet i kroz film, da bi se izbegla sekundarna zračenja. pomoću gama zraka.

Slika 3.233. Shema ispitivanja gama zracima

Slika 3.234. Shema prozračavanja

221

Slika 3.235. Primer

Slika 3.236. Upoređenje zraka 3.28. Ispitivanje vrtložnim strujama Ovaj postupak u praksi prikazuje dve karakteristike:

- Merenje je indirektno i zato zahteva (po potrebi) baždarenje instrumenta za svaku seriju predmeta delova u ispitivanju,

- Vrši se kontrola bez stvarnog dodira sa predmetom; radi se o metodi koja se izvodi jednostavno, brzo, može se automatizovati i nije skupa

Slika 3.237. Princip ispitivanja vrtložnim strujama

222

S obzirom na odnos reciprociteta koji postoji između magnetnih polja, jedan ampermetar signalizira promenu u bilo kojem od ta dva kruga, zato što oni međusobno utiču jedan na drugi. Umetanje promenljivog otpora u krug kojim teče električna struja, omogućuje se promena jačine struje i na taj način otkriva promena u strukturi materijala koji se kontroliše. 3.29. Postupak ispitivanja korozije Koliko korozija ugrožava površine delova, obično se procenjuje na osnovu boje i debljine korozionog sloja. Tabela 3.44. Zavisnost boje i stepena korodiranosti

Boja Stepen korodiranosti

Svetlosmeđi oksid Nastaje u toku 10-15 dana, na otvorenom prostoru pri vlažnom vremenu. Može se razblaženom sonom ili sumpornom kiselinom odstraniti.

Crveni oksid Udubljenja u površini metala. Može se lako odstraniti pomoću nekog hemijskog sredstva.

Tamnosmeđi oksid Relativno duboka udubljenja u površini.

Kontrole stanja: merenja elektro-hemijskih potencijala i merenja brzine korozije pomoću uzoraka ili elektro-hemijskih senzora, primena gasne analize, termoelemenata, uređaja za praćenje stanja, kontrolnih otvora, pirometara, televizijskih kamera i dr., kao i postupci ispitivanja bez razaranja. Praćenjem stanja treba da se ostvare dva cilja:

1. Dobijanje informacija o postojanosti korozije i njenom napredovanju; one doprinose poboljšanju koncepcije održavanja i omogućavaju ograničenje broja pregleda stanja pri zaustavljanju naročito osetljivih delova,

2. Dovođenje radnih uslova čitavog tehničkog sistema na stepen sa minimalnim napredovanjem korozije. To se izvodi pomoću korelacije rezultata praćenja stanja i radnih parametara i primenom dobijenih podataka u vođenju procesa.

Tabela 3.45. Zavisnost boje i stepena korodiranosti

Materijal Vrsta korozije Sredstvo za praćenje stanja

Ugljenični čelici, niskolegirani čelici Vodonična krtost pri niskim i visokim temperaturama

- Senzori osetljivi na vodonik - Merenje vodonika

Ugljenični čelici, niskolegirani čelici Merodavan porast magnetita pri višim temperaturama

- Senzori osetljivi na vodonik - Merenje vodonika

Ugljenični čelici, niskolegirani čelici Korozija usled zamora Analiza pomoću odašiljanja zvuka

Nerđajući čelici, visokolegirani čelici Pojava naprsline, pukotinska korozija Elektrohemijski senzori

Nerđajući čelici, visokolegirani čelici Raspuklost Merenje magnetskog permeabiliteta

Bakar i legure bakra Lokalna korozija, pukotinska korozija Elektrohemijski senzori

Bakar i legure bakra Korozija, erozija Merenje vrtložne struje

Aluminijum i legure aluminijuma Lokalna korozija, rupičasta korozija, krunjenje, pukotinska korozija Elektrohemijski senzori

223

Ispitivanje korozionih procesa je neophodno i izvodi se radi sledećih ispitivanja: 1. Ispitivanje ponašanja materijala, 2. Ispitivanje korozione sredine, 3. Ispitivanje tehnoloških procesa, 4. Procena štete od korozije.

Ciljevi ispitivanja korozionih procesa se mogu definisati kroz sledeće stavke:

1. Proučavanje mehanizma korozije, 2. Utvrđivanje uzroka korozije, 3. Ispitivanje metoda za sprečavanje korozije, 4. Ispitivanje uticaja korozionih produkata na glavne produkte u tehnološkom procesu, 5. Izbor najpogodnijeg materijala, 6. Ponašanje novih materijala u raznim sredinama.

Sama ispitivanja se provode na nekoliko nivoa: laboratorijska ispitivanja, terenska ispitivanja, eksploatacijska ispitivanja. Metode

1. Vizuelna metoda: - Optička mikroskopija, - Metalografska analiza, - Elektronska mikroskopija.

2. Gravimetrijska metoda praćenja sekundarnih pojava: - Merenje promene zapremine izdvojenog vodonika, - Merenje promene zapremine kiseonika, - Kombinovana metoda, - Merenje koncentracije komponenata u rastvoru, - pH – metrija, - Potenciometrija, - Spektrofotometrija, - Metoda AAS, - Plamena fotometrija, - Volumetrija, itd.

3. Metode merenja dimenzije: - Merenje promene dimenzije, - Merenje dubine pitinga.

4. Mehaničke metode: - Otpornost na savijanje, - Otpornost na torziju, - Merenje deformacije, - Merenje tvrdoće, - Prekidna čvrstoća, - Pritisna čvrstoća, itd.

5. Optičke metode: - Elipsometrija, - Interferometrija, - Merenje refleksije svetlosti.

6. Električne metode: - Merenje električnog otpora.

224

7. Elektrohemijske metode: - Merenje potencijala, - Merenje struje, - Polarizacija, - Linearna volumetrija, - Hronoampermetrija, - Hronopotenciometrija, - Ciklična voltametrija, - Galvanostatska ispitivanja, itd.

8. Ostale metode: - Metode za karakterizaciju korozionih produkata (analiza X-zracima), - Metode za karakterizaciju površina, itd.

3.30. Primer ВфЛ-бомба код-4М је намењена у складу праћење нафтовода са спољног пречника од 1420 мм у средњим производа за откривање стреса-корозивних оштећења и корозије у зидовима и лонгитудинални уелдс цевовода, врстама и одређивање параметара (величина) грешака. Према процени контролу резидуалног живота, успоставља максимално дозвољене облике пумпање гаса / нафте и извлачи закључке о потреби за поправку цевовода. Високе резолуције од мерног система пукотина, које мулти-канални систем за мерење и високе фреквенције читање информација, даје квалитативну анализу сложених комбинација недостатака у зида цеви (нето пукотина, корозије + пукотине, механички стрес цонцентраторс + пукотине) и недостатоци во уздужне вара.

Slika 3.238. Magnetno naponsko-korozioni defektoskop za unutrašnju kontrolu gasnih i naftnih cevovoda

225

Slika 3.239. Magnetni skener – defektoskop za kontrolu gasnih i naftnih cevovoda i rezervoara