KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY LÀ GÌ?

Kiểm tra không phá hủy hay kiểm tra không tổn hại (Non-Destructive Testing – NDT) hay còn gọi là đánh giá không phá hủy (Non-Destructive Evaluation – NDE) hoặc kiểm định không phá hủy (Non-Destructive Inspection – NDI) là việc sử dụng các phương pháp vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong hoặc ở bề mặt đối tượng đang kiểm tra mà không làm tổn hại đến khả năng sử dụng của chúng.

Kiểm tra không phá hủy thường sử dụng để kiểm tra đo chiều dày hoặc độ ăn mòn và phát hiện các khuyết tật như vết nứt, rỗ khí, ngậm xỉ, tách lớp, không ngấu không thấu, tách lớp của các vật liệu kim loại, nhựa composite, bê-tông, đá,… nhằm mục đích xác định cho việc định cỡ kích thước, vị trí và độ sâu, chiều cao của chúng.

SIÊU ÂM LÀ GÌ?

Âm thanh được tạo ra trên phạm vi nghe của con người (thường là 20 kHz) được gọi là siêu âm. Tuy nhiên, dải tần số thường được sử dụng trong kiểm tra không phá hủy siêu âm và đo chiều dày là khoảng từ 25 kHz đến 50 MHz. Mặc dù siêu âm hoạt động theo cách tương tự như âm thanh nghe được, nhưng nó có bước sóng ngắn hơn nhiều. Điều này có nghĩa là nó có thể bị phản xạ khỏi các bề mặt rất nhỏ như khuyết tật bên trong vật liệu. Đây là đặc tính làm cho siêu âm hữu ích trong việc kiểm tra không phá hủy cho các vật liệu.

TẦN SỐ, CHU KỲ VÀ BƯỚC SÓNG

Các dao động của siêu âm di chuyển dưới dạng sóng, tương tự như cách ánh sáng truyền đi. Tuy nhiên, không giống như sóng ánh sáng có thể truyền trong chân không (khoảng không), siêu âm đòi hỏi một môi trường đàn hồi như chất lỏng hoặc đặc. Trên hình minh họa dưới là các tham số cơ bản của sóng liên tục (continuous wave). Các tham số này bao gồm bước sóng (Wavelength – λ) và chu kỳ (T) của một vòng chu kỳ hoàn chỉnh.

TẦN SỐ, CHU KỲ VÀ BƯỚC SÓNG

Số chu kỳ hoàn chỉnh trong một giây được gọi là tần số (f) và được đo bằng Hertz (Hz), với bội số như sau:

•  1 chu kỳ/giây = 1Hz

•  1000 chu kỳ/giây = 1kHz

•  1000000 chu kỳ/giây = 1MHz

Thời gian cần thiết để hoàn thành một chu kỳ đầy đủ là chu kỳ (T), được đo bằng giây. Mối quan hệ giữa tần số và chu kỳ trong một sóng liên tục được đưa ra trong phương trình bên dưới:

f = 1/T

f là tần số

T là chu kỳ của thời gian

VẬN TỐC SÓNG ÂM VÀ BƯỚC SÓNG

Vận tốc sóng âm trong một vật liệu đàn hồi hoàn toàn tại nhiệt độ và áp suất nhất định là không đổi. Mối quan hệ giữa v, f, λ và T được đưa ra bởi phương trình sau:

λ = v/f   và   λ = v.T

λ là bước sóng (mm)

v là vận tốc sóng âm vật liệu (mm/s)

f là tần số (Hz)

T là chu kỳ của thời gian

Trong kiểm tra siêu âm, kích thước khuyết tật nhỏ nhất có thể phát hiện được là bằng 1/2 bước sóng λ.

SỰ TRUYỀN ÂM VÀ CHUYỂN ĐỘNG HẠT ELECTRON

Các phương pháp kiểm tra siêu âm phổ biến nhất thường sử dụng loại sóng dọc hoặc sóng trượt. Các hình thức truyền âm khác tiếp tục tồn tại, bao gồm sóng bề mặt và sóng Lamb.

•  Sóng dọc – Longitudinal wave là một dạng sóng nén – Compressional wave trong đó sự chuyển động của các hạt electron sẽ cùng hướng với sự lan truyền của sóng.

•  Sóng trượt – Shear wave là một dạng sóng ngang – Transverse wave trong đó chuyển động của các hạt electron sẽ vuông góc với sự lan truyền của sóng.

•  Sóng bề mặt – Surface hoặc Rayleigh wave có sự chuyển động của các hạt electron theo hình elip và truyền qua bề mặt vật liệu. Vận tốc của chúng xấp xỉ 90% vận tốc sóng ngang của vật liệu và độ sâu xuyên thấu vào vật liệu của chúng xấp xỉ bằng một bước sóng (được tính từ bề mặt vật liệu kiểm tra).

•  Sóng bản mỏng – Plate hoặc Lamb wave có một sự dao động của các hạt electron phức tạp xảy ra trong các vật liệu có chiều dày nhỏ hơn khoảng ba lần bước sóng siêu âm được đưa vào nó. Khi đó vật liệu bắt đầu dao động như một bản mỏng tức là sóng âm sẽ tràn ngập toàn bộ chiều dày của vật liệu.

ỨNG DỤNG SIÊU ÂM

Hai đại lượng cơ bản được đo lường trong kiểm tra siêu âm đó là thời gian phóng đi hoặc lượng thời gian để sóng âm truyền qua vật liệu và biên độ của tín hiệu thu được. Dựa vào vận tốc và thời gian quay về của sóng âm trong vật liệu, chiều dày đối tượng kiểm tra có thể được tính như sau:

T = v.t/2

T là chiều dày vật liệu

v là vận tốc sóng âm của vật liệu

t là thời gian sóng âm truyền qua vật liệu (Time of Flight – TOF)

VÙNG TRƯỜNG ÂM

Vùng sóng âm của một đầu dò được chia thành hai vùng là vùng Trường gần – Near Field và Trường xa – Far Field như hình minh họa bên dưới. Vùng trường gần là vùng trực tiếp phía trước đầu dò nơi biên độ tiếng vang đi qua một loạt cực đại và cực tiểu và kết thúc ở cực đại cuối cùng, tại khoảng cách N từ đầu dò.

Vị trí của cực đại cuối cùng được gọi là khoảng cách vùng trường gần (N hoặc Y0+) và là vùng hội tụ đương nhiên của đầu dò. Vùng trường xa là khu vực nằm ngoài N nơi ứng suất vùng trường âm giảm dần về 0. Do các sự biến thiên trong vùng trường gần, có thể khó đánh giá chính xác khuyết tật bằng các kỹ thuật dựa trên biên độ. Khoảng cách trường gần là một hàm của tần số đầu dò, đường kính biến tử và vận tốc sóng âm của vật liệu kiểm tra như được thể hiện trong công thức dưới:

N = D2.f/4v   và   N = D2/4λ

N là khoảng cách vùng trường gần, D là đường kính biến tử

f là tần số của đầu dò, v là vận tốc sóng âm của vật liệu

λ là bước sóng

ĐẦU DÒ CHÙM TIA GÓC

Các đầu dò chùm tia góc sử dụng các nguyên lý khúc xạ và chuyển đổi để tạo ra các dạng sóng dọc hoặc ngang được khúc xạ hoặc sóng bề mặt trong hoặc ngay trên bề mặt vật liệu kiểm tra như hình minh họa bên dưới.

Đầu dò chùm tia góc thường được sử dụng để xác định vị trí và/hoặc kích thước của khuyết tật có hướng không song song với bề mặt kiểm tra. Tùy theo từng ứng dụng khác nhau mà loại sóng khúc xạ sẽ được sử dụng để phù hợp cho kiểm tra.

•  Vật liệu thép gỉ, sóng ngang được khúc xạ thường sẽ được sử dụng.

•  Vật liệu thép không gỉ, sóng dọc được khúc xạ thường sẽ được sử dụng.

•  Đối với sóng bề mặt thường được sử dụng để kiểm tra phát hiện các khuyết tật gần hoặc đã mở ra trên bề mặt chi tiết kiểm tra.

Sau đây là một số thuật ngữ và công thức phổ biến được sử dụng để xác định vị trí và/hoặc kích thước của khuyết tật.

Leg = T/Cos Φ   (Φ là góc được khúc xạ)

V-Path = 2T/Cos Φ   (T là chiều dày)

Khoảng cách quét tối thiểu = 2T x Tan Φ

Khoảng cách bề mặt = Sin Φ x Đường truyền âm

Chiều sâu (Leg 1) = Cos Φ x Đường truyền âm

Chiều sâu (Leg 2) = 2T – [Cos Φ x Đường truyền âm]

PHƯƠNG CÁCH ĐỊNH CỠ KHUYẾT TẬT

Có nhiều phương cách để xác định và định cỡ khuyết tật trong phương pháp kiểm tra siêu âm, trong đó thông thường kỹ thuật -6 dB và -20 dB sẽ là được sử dụng:

•  Sử dụng kỹ thuật giảm -6 dB drop để định cỡ chiều dài của khuyết tật.

•  Và kỹ thuật giảm -20 dB drop để định cỡ độ sâu và chiều cao của khuyết tật.

CÁC SẢN PHẨM THAM KHẢO

Thiết bị siêu âm khuyết tật kim loại từ hãng ASC Group

Video trên Youtube

Soạn thảo: Nguyễn Đức Thắng