Thép carbon và 4 phương pháp phát hiện khuyết tật bề mặt của vật liệu

Thép carbon (CS) được chúng ta sử dụng rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày. Cho dù trong các phương tiện giao thông, đường ống, tuabin gió, giàn khoan dầu hoặc các tòa nhà. CS giúp mang lại độ chắc chắn và tính an toàn, do đó nhu cầu kiểm tra chính xác và hiệu quả các kết cấu thép cacbon và phát hiện khuyết tật là rất cần thiết.

Để tìm hiểu chi tiết về thép carbon, xin tham khảo bài viết tại đây.

Khuyết tật thép carbon

Các khuyết tật xuất hiện bên trong thép cacbon thường là hệ quả của một hoặc một số quá trình sau:

Thiên tích

Trong luyện kim, đây là một quá trình mà một thành phần của hợp kim hoặc dung dịch rắn phân tách thành các vùng nhỏ bên trong chất rắn hoặc trên bề mặt của chất rắn. Sự tách biệt gây ra sự bất thường trong các đặc tính của thép cacbon, thường là bất lợi cho chất lượng của kim loại và các vùng giảm khả năng chống ăn mòn ở vùng lân cận của sự phân tách.

Rỗng xốp

Các khoảng trống trên hoặc trong vật liệu. Nó thường xuất hiện trong các vật đúc. Trong kim loại hàn, nó thường là kết quả của việc khí bị mắc kẹt bên trong. Trong các vật đúc, thông thường, độ rỗng xốp là nguyên nhân dẫn đến các hư hỏng của lớp phủ, biểu hiện của chúng như rỗ bề mặt, đốm và ăn mòn.

Co ngót (hoặc Nứt nóng)

Sự hình thành các vết nứt trong quá trình hóa rắn của kim loại. Quá trình này còn được gọi là quá trình co ngót nóng, nứt nóng, nứt hóa rắn và nứt ở trạng thái dẻo. Nứt nóng thường xảy ra khi nguồn cung cấp kim loại hàn lỏng có sẵn không đủ để lấp đầy không gian cho kim loại đang hóa rắn.

Lẫn tạp chất

Đây là những hạt, có kích thước lớn hơn ~ 0,5 µm, thường được tìm thấy trong tất cả các loại thép, thậm chí là loại tinh khiết nhất. Các tạp chất phổ biến nhất trong thép là oxit và sunfua, nhưng cũng bao gồm nitrit và silicat, tất cả đều là phi kim loại. Các tạp chất này có thể dẫn đến các vết nứt như nứt do ứng suất sunfua (SSC) và nứt do mỏi.

Ứng xuất dư

Ứng suất dư là ứng suất còn lại trong vật liệu rắn sau khi các lực ban đầu đã bị loại bỏ. Những căng thẳng này, nếu không được kiểm soát, có thể dẫn đến hỏng hóc sớm của các thành phần quan trọng.

Sự kết hợp vật liệu

Quá trình này làm mất độ dẻo của vật liệu, làm cho vật liệu trở nên giòn và dễ bị nứt. Sự hấp thụ hydrogen sulfide dẫn đến SSC, làm hỏng thép cacbon. Tương tự, CS hấp thụ hydro dẫn đến hiện tượng lẫn hydro, có thể khiến kim loại bị gãy.

Hư hỏng cấu trúc cục bộ và tăng dần xảy ra khi vật liệu chịu tải trọng theo chu kỳ. Nếu tải trọng cao hơn một ngưỡng nhất định, các vết nứt cực nhỏ bắt đầu xuất hiện tại các bộ tập trung ứng suất như bề mặt và các giao diện tinh thể kim loại. Cuối cùng, các vết nứt đạt đến kích thước tới hạn, lan truyền đột ngột, dẫn đến hư hỏng.

Nứt

Nứt là loại khuyết tật phổ biến nhất trong các mối hàn thép cacbon đang sử dụng. Các vết nứt có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, từ vết nứt do phá vỡ bề mặt đến vết nứt do ăn mòn do ứng suất (SCC). Một số thách thức khi kiểm tra các khuyết tật bề mặt CS là chúng thường gồ ghề và thường được phủ sơn hoặc các lớp bảo vệ khác. Những lớp phủ này thường phải được loại bỏ để thực hiện kiểm tra bề mặt rồi mới thi công lại, vừa tốn kém thời gian, vừa mất thời gian, chưa kể còn có hại cho môi trường. Tham khảo thêm về các khuyết tật mối hàn tại đây.

Các tiêu chuẩn liên quan đến kiểm tra thép carbon

Để ngăn ngừa hỏng hóc và kéo dài tuổi thọ của tài sản, kết cấu và thiết bị, thép cacbon phải được thường xuyên kiểm tra khuyết tật. Có một số tiêu chuẩn điều chỉnh hoạt động này, được xuất bản bởi ASTM International , Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ (ASME) và Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO). Các tiêu chuẩn này nêu rõ rằng kiểm tra siêu âm (UT), kiểm tra dòng điện xoáy (ECT, bao gồm dòng xoáy mảng pha ECA), kiểm tra hạt từ tính (MT) và kiểm tra thẩm thấu lỏng (PT) có thể được sử dụng để kiểm tra các khuyết tật phá vỡ bề mặt, theo cụ thể hướng dẫn.

ASTM E3052-16

ASTM E3052-16 đề cập đến việc sử dụng cảm biến ECA để kiểm tra không phá hủy mối hàn thép cacbon. Công việc bao gồm việc phát hiện và xác định kích thước của các vết nứt bề mặt trong các mối hàn, phù hợp với các lớp phủ không từ tính và không dẫn điện dày đến 5mm (0,197 in) giữa cảm biến và mối hàn. Quá trình kiểm tra phát hiện nhiều loại khuyết tật nứt, chẳng hạn như vết nứt do mỏi và các dạng bất liên tục khác, tại các vị trí khác nhau trong mối hàn (ví dụ như vùng ảnh hưởng nhiệt, vùng chân và mũ mối hàn). Nó bao gồm kích thước chiều dài và chiều sâu của những điểm gián đoạn phá vỡ bề mặt.

Vỏ lò hơi và bình áp lực của ASME Mã 2235-9

ASME’s Boiler and Pressure Vessel Code Case 2235-9 quy định rằng trừ khi phân tích dữ liệu UT xác nhận các khuyết tật không được nối bề mặt, các khuyết tật được coi là ăn với bề mặt sẽ không được chấp nhận trừ khi thực hiện thêm các phương pháp kiểm tra bề mặt như MT, PT hoặc dòng xoáy (ECT). Tài liệu cũng đề cập rằng tất cả các chỉ thị phát hiện bởi kỹ thuật dòng điện xoáy hở ra bề mặt là không thể chấp nhận được bất kể độ dài của chúng.

ISO BS EN ISO 5817: 2007

Tương tự, trong tiêu chuẩn BS EN ISO 5817: 2007, Mối hàn nhiệt vật liệu thép, niken, titan và hợp kim của chúng, phương pháp ECT được đánh giá có khả năng phát hiện các khuyết tật phá vỡ bề mặt và gần bề mặt rất tốt ở vật liệu ferit (mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt, vật liệu cơ bản). Tài liệu cũng đưa ra kích thước khuyết tật tối thiểu mà các phương pháp ECT có thể phát hiện được trong các mối hàn thép ferit (khi hàn) là sâu 1 mm (0,039 in) và dài 5 mm (0,197 in).

Như chúng ta đã biết, các phương pháp kiểm tra này đều có những ưu điểm và nhược điểm, làm cho mỗi ứng dụng sẽ cần một phương pháp riêng biệt, nhưng cách tốt nhất để phát hiện và theo dõi sự tiến triển của các khiếm khuyết trong vật liệu vẫn là một phần thiết yếu của các hoạt động quản lý tính toàn vẹn của tài sản.

Bốn phương pháp NDT giúp phát hiện khuyết tật bề mặt trong thép carbon

Các tiêu chuẩn và phương pháp sau đây phù hợp để kiểm tra các khuyết tật do đứt gãy bề mặt theo từng quy trình cụ thể:

• Kiểm tra hạt từ tính (MT)
• Kiểm tra thẩm thấu chất lỏng (PT)
• Kiểm tra dòng điện xoáy (ECT)
• Kiểm tra dòng điện xoáy mảng pha (ECA)

Khi sử dụng các phương pháp kiểm tra NDT trên bề mặt thép cacbon, hiệu suất kiểm tra phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện cụ thể – điển hình là vật liệu và loại khuyết tật, cũng như điều kiện bề mặt, lớp phủ v.v. Bạn có thể tham khảo thêm về so sánh giữa các phương pháp kiểm tra không phá hủy để có thêm thông tin lựa chọn phương pháp phù hợp.

Cần nhấn mạnh rằng không có một phương pháp kiểm tra nào là là kém hơn các phương pháp khác — chúng thường phải được kết hợp để có kết quả tối ưu và triệt để. Do đó, việc chọn kỹ thuật phù hợp để kiểm tra bề mặt thép cacbon thường đòi hỏi phải sử dụng nhiều hơn một phương pháp để xác nhận chéo và bù đắp cho những thiếu sót của những phương pháp khác.

Có rất nhiều yếu tố cần xem xét khi lựa chọn kỹ thuật kiểm tra phù hợp để loại bỏ các khuyết tật bề mặt trong thép cacbon vì mỗi phương pháp NDT đều có những lợi ích và nhược điểm riêng. Xin cung cấp yêu cầu cụ thể của bạn với VISCO để chúng tôi giúp bạn đưa ra lựa chọn sáng suốt và tối ưu nhất.