Cơ sở kỹ thuật kiểm tra bột từ

Nguyên lý của phương pháp kiểm tra bột từ

Kiểm tra bột từ là phương pháp không phá huỷ có khả năng phát hiện và định vị các khuyết tật bề mặt và gần bề mặt trong các vật liệu sắt từ.

Phương pháp do W.E. Hoke (Mỹ) phát minh vào những năm 1920. Nguyên lý của phương pháp dựa trên sự biến dạng của từ trường trong vật nhiễm từ do sự có mặt của khuyết tật. Sự biến dạng này gây nên một số đường sức của từ trường thoát ra ngoài, đi trong không khí và sau đó quay về vật. Hiện tượng này gọi là sự dò trường từ thông. Trường dò có khả năng hút các hạt sắt từ nhỏ và tạo nên các chỉ thị hoặc hình ảnh của khuyết tật. Một trong những ứng dụng chính của phương pháp này là phát hiện các gián đoạn càng sớm các tốt trong các công đoạn chế tạo và sử dụng, để tránh được các chi phí vào các vật liệu và sản phẩm mà sau đó lại bị loại bỏ. Trong thực tế, tất cả các công đoạn chế tạo, từ quá trình đúc đến các công đoạn chế tạo cuối cùng đều có thể gây nên các khuyết tật. Kiểm tra bột từ có thể phát hiện nhiều loại khuyết tật, tránh được nguy cơ đưa các sản phẩm kém phẩm chất vào sử dụng.

Phương pháp kiểm tra bột từ bao gồm 3 bước chính như sau:

1. Từ hoá vật kiểm tra.
2. Áp dụng bột từ.
3. Phát hiện, giải đoán và đánh giá các chỉ thị từ.

Ưu và nhược điểm của kiểm tra bột từ tính

Kiểm tra bột từ có thể phát hiện được các khuyết tật bề mặt trong các vật liệu sắt từ, kể cả các khuyết tật rất nhỏ và hẹp mà mắt thường không thể phát hiện được. Các chỉ thị từ được hình thành ngay trên khuyết tật và do đó cho ta biết vị trí, hình dạng và kích thước gần đúng của khuyết tật. Kiểm tra bột từ còn có khả năng phát hiện các khuyết tật nằm gần bề mặt của vật. Độ nhậy đối với các khuyết tật này hạn chế và phụ thuộc vào chiều sâu, kích thước, thể loại, hình dáng của khuyết tật và vào cường độ từ trường sử dụng.

Kiểm tra bột từ không dùng được với các vật liệu phi sắt từ, bao gồm thuỷ tinh, gốm sứ, chất dẻo, nhôm, magiê, đồng và các hợp kim thép ơstenít.

Trong cuốn sách này, tác giả sẽ lần lượt trình bày các vấn đề cơ bản nhất của kỹ thuật kiểm tra bột từ, cùng với các kỹ năng thực hành cần thiết để thực hiện có hiệu quả kỹ thuật kiểm tra trong các ngành công nghiệp khác nhau. Để minh hoạ, một quy trình kiểm tra bột từ trong kiểm tra mối hàm bồn chứa xăng dầu theo chuẩn API 650 cũng được trình bày trong phần cuối của cuốn sách.

Chương I: Cơ sở lý thuyết từ

Cơ sở của phương pháp kiểm tra bột từ dựa trên các nguyên lý của lý thuyết điện và từ. Do đó, để có thể ứng dụng có hiệu quả kỹ thuật kiểm tra bột từ, ta cần phải nắm được các kiến thức cơ bản về các lý thuyết trên.

1.1. Nam châm

Vật có khả năng hút sắt từ được gọi là nam châm. Khả năng hút hoặc đẩy của nam châm không đồng đều mà tập chung ở các đầu của thanh, gọi là các cực (hình1).

Mỗi nam châm đều có 2 hoặc nhiều cực. Các cực của nam châm bị hút bởi các lực từ của Trái đất và do đó được gọi là các cực Bắc (N) và Nam (S).

1.2. Từ thông và thông lượng từ

Nếu đặt một miếng bìa lên một thanh nam châm, rồi rắc bột sắt mịn lên tờ bìa và gõ nhẹ, các bột sắt từ sẽ sắp xếp như hình 2.

Các đường cong “bột sắt” này cho ta hình ảnh về các đường từ thông (đường sức) tạo nên từ trường của nam châm. Toàn bộ các đường từ thông gọi là thông lượng từ.

Đơn vị của thông lượng từ là Maxwell hay weber. Một maxwell là một đường từ thông và 1weber=108maxwell.

Những tính chất liên quan đến đường từ thông:

• Chúng tạo nên đường vòng tròn liên tục, không gấp khúc và luôn khép kín
• Chúng không bao giờ cắt nhau
• Chúng là đại lượng có hướng: các đường từ thông xuất phát từ cực Bắc, đi vào không khí rồi vào cực Nam và qua cực Nam lại trở về cực Bắc.
• Mật độ của chúng giảm dần khi khoảng cách tăng.
• Chúng có  khuynh hướng bị lệch và đi qua các vật liệu từ và trong quá trình đó chúng làm các vật liệu bị từ hoá (hình 3).

Nếu một nam châm bị bẻ gẫy thành nhiều mảnh thì mỗi mảnh gẫy lại trở thành một nam châm hoàn chỉnh. Các cực khác tên thì hút nhau, cùng tên thì đẩy nhau (hình 4).

1.3. Mật độ từ thông và các đơn vị đo

Số đường từ thông (đường sức) trong một đơn vị điện tích vuông góc với hướng của chúng được gọi là mật độ từ thông. Đơn vị của mật độ từ thông là gauss (G) hay tesla (T).

1G=1maxwell/1cm²=1 đường từ thông /1cm²

1tesla=1weber/1m²=10⁴G

1.4 Các loại vật liệu từ

Tất cả các vật liệu đều bị tác động ở một mức độ nào đó bởi từ trường khi ta đặt nó trong từ trường, và vật ít nhiều sẽ bị nhiễm từ.

Đại lượng dùng để chỉ mức độ dễ bị nhiễm từ của vật liệu gọi là từ thẩm. Tuỳ vào tính chất từ  thẩm của vật liệu mà ta chia các loại vật liệu thành hai loại: vật liệu nghịch từ và vật liệu thuận từ và sắt từ:+Vật liệu nghịch từ (Hg, Au, Bi, Zn) có hệ số từ thẩm nhỏ hơn của chân không một ít (m của chân không trong hệ số Gauss=1). Nếu đặt các vật đó trong một từ trường  mạnh, vật sẽ bị nhiễm từ nhẹ, với hướng ngược với hướng của từ  trường ngoài.

• Vật liệu thuận từ (Al, Pt, Cu, gỗ) có hệ số từ thẩm lớn hơn của chân không một ít. Nếu đặt trong từ trường mạnh, vật bị nhiễm từ nhẹ và có hướng trùng với hướng của từ trường ngoài. Vật bị mất ngay từ tính khi rời khỏi từ trường ngoài.
• Vật liệu sắt từ có hệ số từ thẩm lớn hơn 1 rất nhiều. Khi đặt vật trong từ trường ngoài, vật bị nhiễm từ mạnh. Vật vẫn lưu được từ tính sau một thời gian sau khi rời khỏi từ trường ngoài.

Khả năng lưu từ là một tính chất quan trọng của vật liệu sắt từ. Các vật liệu sắt từ điển hình là: Fe, Co, Ni, Ga, thép.

1.5 Cách chế tạo nam châm vĩnh cửu

Các hợp kim đặc biệt được xử lý nhiệt trong một từ trường ngoài mạnh sẽ trở thành nam châm vĩnh cửu. Nam châm vĩnh cửu đóng một vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp hiện đại. Trong kỹ thuật kiểm tra bột từ, nam châm vĩnh cửu dùng để từ hoá vật kiểm tra trong một số trường hợp hạn chế. Một số hợp kim thường dùng để làm nam châm vĩnh cửu là hợp kim nhôm, niken và coban (alnico), hợp kim đồng, niken và sắt (cunife).

1.6 Từ trường của Trái Đất

Trái đất là một nam châm khổng lồ (hình 5). Tuy nhiên, từ trường của Trái đất khá yếu (0.03mT hay 0.3G). Từ trường này thường gây cản trở  trong việc từ hoá hoặc khử từ các vật kiểm tra.

1.7 Nguồn gốc của từ trường

Nguồn gốc của từ trường liên quan đến sự chuyển động quay (spin) của điện tử trong nguyên tử, phân tử. Còn tính chất nhiễm từ mạnh của sắt từ có thể giải thích là do các vật liệu này có cấu tạo gồm các vùng nhiễm từ tự nhiên gọi là vùng từ.

Khi không có từ trường ngoài, các vùng từ này sắp xếp ngẫu nhiên và do đó từ trường của chúng khử lẫn nhau. Khi đặt vật trong một từ trường ngoài, các vùng nhiễm từ sẽ kết hợp lại và sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài. Kết quả là sắt bị nhiễm từ mạnh (hình 6).

1.8 Các loại từ trường

1.8.1 Từ trường vòng

Loại nam châm quen thuộc có hình móng ngựa giới thiệu trong hình 7a. Nó có một cực Bắc, đi vào không khí và trở vào cực Nam. Các vật liệu sắt từ chỉ bị hút và giữ ở các đầu hoặc giữa các cực của nam châm.

Nếu ta uốn để các đầu của nam châm lại gần nhau hơn ( hình7 ), các cực của nam châm vẫn còn, các đường từ thông vẫn rời và trở lại các cực như trước. Tuy nhiên, các đường từ thông lúc này gần nhau và dầy đặc hơn. Vùng mà ở đó các đường từ thông rời khỏi một cực, đi vào không khí và sau đó trở lại cực kia của nam châm được gọi là trường rò hay trường từ thông rò.

 Khi các đầu của nam châm cùng gập lại và các cực được dính chảy vào nhau để tạo thành hình nhẫn ( hình 7c ), nam châm không còn hút các chất sắt từ  nữa ( không có các cực và các trường rò ). Các đường từ thông vẫn tồn tại, nhưng chúng bị ngăn lại hoàn toàn bên trong nam châm. Trong trạng thái như vậy, nam châm được gọi là nam châm vòng hay bị từ hoá vòng.

1.8.2 Từ trường dọc

Trong một nam châm thẳng, các đường từ thông chạy dọc trong nam châm, rời khỏi và trở lại nam châm ở các cực. Các vật liệu sắt từ chỉ bị hút ở các cực của nam châm. Ta nói nam châm có từ trường dọc hay là vật bị từ hóa dọc (hình 8a).

Nếu các đường từ thông bị gián đoạn bởi một khuyết tật nào đó, các cực phụ sẽ được hình thành trên mỗi đầu của khuyết tật (hình 8). Các cực thứ cấp đó và trường rò đi kèm có thể hút các bột sắt từ, ngay cả khi khuyết tật là rất nhỏ hoặc nằm dưới lớp bề mặt của vật (hình 8).

1.8.3 Độ lớn của trường rò

Mức độ bị biến dạng hay độ lớn của trường dò phụ thuộc vào một số thông số như mật độ từ thông, độ sâu của gián đoạn, chiều rộng của khe hở không khí giữa các cực và sự định hướng của các gián đoạn (hình 9).

Trường rò là mạnh nhất khi các khuyết tật có trục vuông góc với các đường từ thông. Trường rò sẽ giảm dần và bị triệt tiêu hoàn toàn khi khuyết tật nằm song song với các đường từ thông.

1.8.4 Sự tạo thành các chỉ thị từ

Khi các hạt sắt từ được phun nhẹ vào trong từ trường, chúng sẽ bị hút vào các cực. Càng gần đến các cực thì càng có nhiều đường từ thông chạy qua. Các đường từ thông tập trung vào các vật sắt từ do chúng có từ kháng nhỏ hơn từ kháng của không khí. Chính sự ưu tiên này khiến các hạt từ được tập trung mạnh vào các vùng từ rò và sau đó tạo nên các chỉ thị từ nhìn thấy bằng mắt thường dưới điều kiện chiếu sáng thích hợp.

1.9 Cảm ứng điện từ

Oersted năm 1820 phát hiện thấy rằng khi đặt các kim nam châm gần dây dẫn có dòng điện chạy qua, kim nam châm bị lệch hướng và có hướng vuông góc với đoạn dây dẫn. Nam châm và dòng điện có mối liên quan với nhau: xung quanh dòng điện chạy qua dây dẫn có từ trường (hình 10).

Tiếp đó, năm 1834 Faraday phát hiện thấy xuất hiện một dòng điện trong dây dẫn khi:

• Vòng dây đứng yên trong một từ trường thay đổi hay
• Vòng dây chyển động cắt từ trường hay
• Cả vòng dây chuyển động và từ trường thay đổi.

Như vậy từ và điện có quan hệ tương hỗ nhau.

1.9.1 Nam châm điện

Xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua xuất hiện một từ trường. Nếu vật sắt từ đặt trong từ trường này, vật sẽ bị nhiễm từ. Sự từ hoá được thực hiện bởi sự cảm ứng từ. Hiệu ứng của từ trường xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua này có thể tăng đáng kể nếu đoạn dây được cuộn thành vòng tròn. Từ trường trong mỗi vòng sẽ cộng lại biến cuộn dây thành một nam châm có các cực ở mỗi đầu, giống như một nam châm thẳng. (Hình 11)

Sử dụng quy tắc bàn tay phải để xác định hướng của từ trường (hình 12).

Nam châm này tạo nên một từ trường dọc bên trong cuộn dây. Nếu một thanh sắt non được đưa vào trong lòng cuộn cảm và cho dòng điện chạy qua cuộn dây, thanh sắt sẽ bị nhiễm từ mạnh (hình 13).

Khi dòng điện bị ngắt, cuộn cảm và lõi sắt bị mất từ tính. Cường độ của từ trường phụ thuộc chủ yếu vào:

• Cường độ dòng điện
• Số vòng của cuộn cảm
• Bản chất của lõi sắt (hệ số từ thẩm).

Cường độ từ trường H xuất hiện dọc bên trong cuộn dây khi dòng điện I chạy qua được biểu diễn bởi công thức:

H=It/L

t: số vòng của cuộn dây
L: Chiều dài của đoạn ống có cuộn dây dẫn

Nếu đưa lõi sắt từ có độ từ thẩm vào bên trong cuộn cảm, mật độ từ thông B xuất hiện trong lõi sắt có thể tính bởi công thức:

B=μH=μIt/L

trong đó I: dòng điện từ hoá
t: số vòng của cuộn cảm1.9.2 Tính chất của các vật liệu từ.

1.9.2 Tính chất của các vật liệu từ và đường tròn từ trễ

Mỗi vật liệu từ có tính chất nhất định đặc trưng cho vật liệu đó. Hầu hết các tính chất từ của một vật liệu đều có thể được miêu tả bởi đặc trưng của vòng từ trễ. Các số liệu cho vòng từ trễ có thể thu nhận được bằng cách đặt một thanh từ trong cuộn cảm có dòng xoay chiều đi qua. Đo cường độ từ trường H sau mỗi lần tăng cường độ vòng và đo mật độ từ thông B trong vật liệu. Sau đó biểu diễn sự phụ thuộc của B vào H, ta sẽ thu được đường tròn từ trễ (hình 14).

Ta thấy quan hệ của B và H là không tuyến tính. Bắt đầu từ điểm O (H=0, B=0) và tăng dần H với một lượng nhỏ, B lúc đầu tăng rất nhanh, sau đó chậm dần đến điểm A. ở đây vật trở thành bão hoà từ. Qua điểm bão hoà, tăng cường độ từ trường không làm tăng mật độ từ thông bên trong vật liệu. Giảm dần H về không ta thu được đường AB. Ta thấy khi H=0 (I=0), thì B≠0. OB được gọi là từ dư của vật liệu.

Đổi chiều dòng điện và tiếp tục tăng dòng ta thu được đoạn BC. OC đặc trưng cho sức kháng từ của vật liệu và được gọi là độ kháng từ. Tiếp tục tăng H ta thu được DC. Tại D mật độ từ thông lại bão hoà. Tiếp tục giảm H, ta thu được đoạn DE, sau đó đổi chiều dòng điện và tăng dần, ta thu được đoạn EF và FA. Từ thẩm là một trong các tính chất quan trọng nhất của vật liệu từ và được ký hiệu là μ.

Khi nói từ thẩm của một vật liệu nào đó ta ám chỉ giá trị cực đại μ của vật liệu đó (Hình 15).

Các vật liệu sắt non ( thép có thành phần cácbon thấp ) có μ lớn, từ dư nhỏ, hệ số kháng từ thấp và do đó đường cong từ trễ hẹp.

Chương II: Các phương pháp từ hoá

2.1 Từ hoá bằng dòng điện

Dùng dòng điện tạo nên các từ trường xung quanh và trong các vật liệu dẫn điện. Ta có thể thay đổi các hướng của từ trường cảm ứng bằng cách điều khiển hướng của dòng điện từ hoá.

Trong phương pháp kiểm tra bột từ, ta phải chọn hướng và cường độ của dòng điện sao cho các đường từ thông tạo thành có hướng và mật độ thích hợp trên các vùng cần khảo sát. Vì độ nhậy của phép kiểm tra là cao nhất khi từ trường vuông góc với trục chính của khuyết tật, nên phương pháp từ hoá phải chọn sao cho các đường từ thông tạo thành có hướng vuông góc với trục chính của các khuyết tật cần phát hiện. Khi cần kiểm tra các khuyết tật có hướng khác nhau, ta cần phải từ hóa vật nhiều lần để tạo ra các đường từ thông có các hướng khác nhau. Tuy nhiên, đối với phần lớn công việc, ta chỉ cần từ hóa hai lần là đủ. Trong lần từ hóa thứ hai, ta sử dụng trường từ hoá vuông góc với trường lần đầu.

Đối với phép kiểm tra cần độ nhậy cao hơn, có thể ta phải từ hoá nhiều lần hơn.