اختبار التيارات الدوامية

اختبار التيار الدوامي (المعروف أيضًا باسم اختبار التيار الدوامي و ECT ) هو أحد طرق الاختبار الكهرومغناطيسي العديدة المستخدمة في الاختبار غير المدمر (NDT) والتي تستخدم الحث الكهرومغناطيسي للكشف عن عيوب السطح وتحت السطح في المواد الموصلة وتوصيفها .

يعود أصل اختبار التيارات الدوامية (ECT) كتقنية اختبار إلى الكهرومغناطيسية . رُصدت التيارات الدوامية لأول مرة على يد فرانسوا أراغو عام 1824، ولكن يُنسب الفضل في اكتشافها إلى الفيزيائي الفرنسي ليون فوكو عام 1855. بدأ اختبار التيارات الدوامية بشكل كبير نتيجة لاكتشاف العالم الإنجليزي مايكل فاراداي للحث الكهرومغناطيسي عام 1831. اكتشف فاراداي أنه عندما يكون هناك مسار مغلق يمكن للتيار أن يدور فيه، ويمر مجال مغناطيسي متغير مع الزمن عبر موصل (أو العكس)، فإن تيارًا كهربائيًا يتدفق عبر هذا الموصل.

في عام 1879، قام عالم آخر مولود في إنجلترا، ديفيد إدوارد هيوز ، بتوضيح كيف تتغير خصائص الملف عند وضعه في اتصال مع معادن ذات موصلية ونفاذية مختلفة، وهو ما تم تطبيقه على اختبارات الفرز المعدني. ^{[ 1 ]}

تم تطوير تقنية التيار الدوامي (ECT) كتقنية اختبار غير مدمرة للتطبيقات الصناعية بشكل كبير خلال الحرب العالمية الثانية في ألمانيا . قام البروفيسور فريدريش فورستر، أثناء عمله في معهد القيصر فيلهلم (الذي أصبح لاحقًا جمعية القيصر فيلهلم )، بتكييف تقنية التيار الدوامي للاستخدام الصناعي، حيث طور أجهزة لقياس الموصلية وفرز المكونات الحديدية المختلطة. بعد الحرب، في عام 1948، أسس فورستر شركة تُعرف الآن باسم مجموعة فورستر ، حيث حقق تقدمًا كبيرًا في تطوير أجهزة التيار الدوامي العملية وتسويقها. ^{[ 2 ]}

أصبح اختبار التيار الدوامي الآن تقنية فحص شائعة الاستخدام ومفهومة جيدًا للكشف عن العيوب، بالإضافة إلى قياسات السماكة والتوصيلية. ^{[ 3 ]}

قدّر تحليل أجرته شركة فروست آند سوليفان لسوق معدات الاختبارات غير الإتلافية العالمية في عام 2012 حجم سوق معدات الاختبارات غير الإتلافية المغناطيسية والكهرومغناطيسية بنحو 220 مليون دولار أمريكي، ويشمل ذلك اختبارات التيار الدوامي التقليدية، وفحص الجسيمات المغناطيسية ، ومصفوفة التيار الدوامي ، واختبارات المجال عن بُعد . ومن المتوقع أن ينمو هذا السوق بمعدل نمو سنوي مركب قدره 7.5% ليصل إلى حوالي 315 مليون دولار أمريكي بحلول عام 2016. ^{[ 2 ]}

في أبسط صوره - مسبار ECT أحادي العنصر - يتم تحفيز ملف من سلك موصل بتيار كهربائي متناوب. ينتج عن هذا الملف مجال مغناطيسي متناوب حوله. يتذبذب المجال المغناطيسي بنفس تردد التيار المار في الملف. عندما يقترب الملف من مادة موصلة، تتولد تيارات معاكسة لتلك الموجودة في الملف في المادة - تيارات دوامية. ^{[ 5 ]}

تؤدي الاختلافات في الموصلية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية للجسم المراد فحصه، ووجود العيوب، إلى تغير في التيار الدوامي، وما يتبعه من تغير في الطور والسعة، ويمكن الكشف عن ذلك بقياس تغيرات المعاوقة في الملف، وهو مؤشر واضح على وجود العيوب. ^{[ 6 ]} هذا هو أساس اختبار التيار الدوامي القياسي (باستخدام ملف مسطح). ويمكن استخدام مجموعات الاختبار غير الإتلافي في عملية اختبار التيار الدوامي. ^{[ 7 ]}

تتمتع تقنية التصوير بالتيارات الدوامية (ECT) بنطاق واسع من التطبيقات. ونظرًا لطبيعتها الكهربائية، فإنها تقتصر على المواد الموصلة. كما توجد حدود فيزيائية لتوليد التيارات الدوامية وعمق الاختراق ( عمق الاختراق ). ^{[ 8 ]} يظهر تأخر طور مقداره 2 راديان (115 درجة) عند كل عمق اختراق، مما يدعم قياسات دقيقة لعمق العيب وسماكته.

يُعدّ ربط إشارات العيوب بأحجام ونطاق نسب الأبعاد اللازمة لعتبة الرفض وتقييم مخاطر تحمل التلف تحديًا أساسيًا لمهندسي الاختبارات غير الإتلافية. وقد طُوّر نموذج انحدار لتحديد حجم العيوب الخطية لتحسين الدقة عند تطبيقه على بيانات مصفوفات التصوير المقطعي الكهربائي. يُظهر هذا النموذج تطابقًا أفضل لمعامل التحديد المعدل (R²) وأخطاء تنبؤ أقل بكثير مقارنةً بأساليب الانحدار الخطي ومتعدد الحدود القياسية، لا سيما عند تحديد حجم شقوق التعب شبه الإهليلجية البعيدة عن السطح والشقوق الاصطناعية. ^{[ 9 ]}

يأخذ نموذج معايرة نيكولز-وينشيسكي الشكل اللوغاريتمي التالي:

ln(S) = B ₁ · ln(A) + B ₂ · a

أين:

• S = استجابة جهد الإشارة
• أ = منطقة العيب
• أ = عمق العيب البعيد
• B1 _، B2 = _{معاملات} الانحدار

تطبيق برنامج إكسل:

1. الأعمدة: ln( S )، ln( A )، a
2. ب ₁ ، ب ₂ =LINEST(ln(S), ln(A):a, FALSE)
3. S = A ^{B ₁} · e ^{B ₂ · a}

يتوافق الشكل الوظيفي مع مبادئ فيزياء التيارات الدوامية الراسخة، وبواسطته، يُقدَّر عمق العيب عند نسبة أبعاد مفترضة حرجة لتقييم تحمل الضرر. يعكس حد قانون القوة ( A ^{B ₁} ) العلاقة غير الخطية بين حجم تشتت العيب واضطراب التيارات الدوامية المستحث، بينما يفسر الحد الأسي ( e ^{B ₂ · a} ) توهين الإشارة الناتج عن تأثيرات عمق الاختراق مع ازدياد بُعد العيوب عن سطح الفحص.

منطقة العيب:

بالنسبة للعيوب السطحية شبه الإهليلجية، تُحدد مساحة العيب A بعمق العيب a ونسبة العرض إلى الطول a/c ، حيث c نصف طول سطح الشق. وهذا يسمح بالتمييز بين العيوب الأطول التي يسهل اكتشافها بنسبة عرض إلى طول 0.2، والعيوب شبه الدائرية الأكثر صعوبة بنسبة عرض إلى طول 1.0، كما يلي:

${\displaystyle A={\frac {\pi a^{2}}{2(a/c)}}}$

تُمكّن هذه الصيغة من التقييم المنهجي لأداء النموذج عبر مختلف أشكال العيوب الشائعة في عمليات الفحص. ومع ذلك، يجب دائمًا حصر تحليلات الانحدار ضمن نطاق نسب أبعاد العيوب وأعماقها المحددة والممثلة في مجموعة البيانات التجريبية.

يُعدّ فحص الأسطح وفحص الأنابيب من أبرز تطبيقات اختبار التيارات الدوامية. ويُستخدم فحص الأسطح على نطاق واسع في صناعة الطيران والفضاء، وكذلك في صناعة البتروكيماويات . وتتميز هذه التقنية بحساسيتها العالية وقدرتها على كشف الشقوق الضيقة. ويمكن إجراء فحص الأسطح والحجم على المواد المغناطيسية وغير المغناطيسية على حد سواء. ^{[ 10 ] [ 11 ]} وقد كشفت عمليات فحص مصفوفات التيارات الدوامية المُحسّنة، مع ضبط عمق الاختراق بالقرب من سُمك المادة ومعايرته على شقوق نصفية الحجم بعرض 100 ميكرون، عن أعماق عيوب في الجانب الخلفي عند سُمك يُقارب 60%. ^{[ 12 ]}

يقتصر فحص الأنابيب عمومًا على الأنابيب غير المغناطيسية، ويُعرف باسم اختبار التيارات الدوامية التقليدي. يُستخدم اختبار التيارات الدوامية التقليدي لفحص أنابيب مولدات البخار في المحطات النووية، وأنابيب المبادلات الحرارية في صناعات الطاقة والبتروكيماويات. تتميز هذه التقنية بحساسية عالية في الكشف عن الحفر وتحديد حجمها. يمكن الكشف عن فقدان الجدار أو التآكل، لكن تحديد الحجم ليس دقيقًا.

يُعدّ فحص التشبع الكامل بالتيار الدوامي أحد أشكال فحص التيار الدوامي التقليدي للمواد المغناطيسية جزئيًا. في هذه التقنية، تُكبح تغيرات النفاذية المغناطيسية بتطبيق مجال مغناطيسي. تحتوي مجسات التشبع على ملفات التيار الدوامي التقليدية ومغناطيسات. يُستخدم هذا الفحص على المواد المغناطيسية الحديدية جزئيًا، مثل سبائك النيكل، والسبائك المزدوجة، والمواد المغناطيسية الحديدية الرقيقة، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من الكروم والموليبدينوم الفريتي . يعتمد تطبيق تقنية فحص التشبع بالتيار الدوامي على نفاذية المادة، وسُمك الأنبوب، وقطره. ^{[ 13 ]}

إحدى الطرق المستخدمة لاختبار أنابيب الصلب الكربوني هي اختبار التيارات الدوامية في المجال البعيد. هذه الطريقة حساسة لفقدان الوزن العام في جدار الأنبوب، ولكنها غير حساسة للحفر والشقوق الصغيرة.

ولتجاوز بعض أوجه القصور في تقنية اختبار التيار الدوامي التقليدية، تم تطوير تقنيات أخرى لاختبار التيار الدوامي بنجاحات متفاوتة.

اختبار التيار الدوامي بقوة لورنتز

يتمثل التحدي المختلف، وإن كان مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا من الناحية الفيزيائية، في اكتشاف العيوب وعدم التجانسات العميقة في المواد الصلبة الموصلة للكهرباء.

في الطريقة التقليدية لاختبار التيارات الدوامية، يُستخدم مجال مغناطيسي متناوب لحثّ التيارات الدوامية داخل المادة المراد فحصها. إذا احتوت المادة على شق أو عيب يُؤدي إلى عدم انتظام التوزيع المكاني للتوصيل الكهربائي، فإن مسار التيارات الدوامية يتغير، وتتغير معاوقة الملف الذي يُولّد المجال المغناطيسي المتناوب. ومن خلال قياس معاوقة هذا الملف، يُمكن الكشف عن الشق. ولأن التيارات الدوامية تتولد بفعل مجال مغناطيسي متناوب، فإن اختراقها للمنطقة تحت السطحية للمادة محدود بكثافة التدفق (أو قوة المجال المغناطيسي) التي يُولّدها المسبار. ولذلك، فإن نطاق تطبيق الطريقة التقليدية لاختبار التيارات الدوامية يقتصر على تحليل المنطقة المجاورة مباشرة لسطح المادة، والتي عادةً ما تكون في حدود ملليمتر واحد. ولم تُفضِ محاولات التغلب على هذا القيد الأساسي باستخدام ملفات منخفضة التردد ومستشعرات المجال المغناطيسي فائقة التوصيل إلى تطبيقات واسعة النطاق.

تستغل تقنية حديثة، تُعرف باسم اختبار التيارات الدوامية بقوة لورنتز (LET) ^{[ 16 ] [ 17 ]،} مزايا تطبيق المجالات المغناطيسية المستمرة والحركة النسبية، مما يوفر اختبارًا عميقًا وسريعًا نسبيًا للمواد الموصلة للكهرباء. من حيث المبدأ، يُمثل اختبار التيارات الدوامية تعديلًا لاختبار التيارات الدوامية التقليدي، ويختلف عنه في جانبين رئيسيين، هما: (أ) كيفية توليد التيارات الدوامية، و(ب) كيفية الكشف عن اضطرابها. في اختبار التيارات الدوامية، تُولّد التيارات الدوامية من خلال الحركة النسبية بين الموصل قيد الاختبار ومغناطيس دائم (انظر الشكل). إذا مرّ المغناطيس بجوار عيب، فإن قوة لورنتز المؤثرة عليه تُظهر تشوهًا، ويُعد الكشف عنه أساسيًا لمبدأ عمل اختبار التيارات الدوامية. أما إذا كان الجسم خاليًا من العيوب، فإن قوة لورنتز الناتجة تظل ثابتة.

• التيار الدوامي
• الاختبارات غير المدمرة
• قياس مجال التيار المتردد
• عداد التغطية
• كاشف المعادن
• تأثير الجلد
• اختبار التيار الدوامي بتردد المسح (SFECT)

• شرح مصفوفة التيارات الدوامية
• مقدمة عن اختبار التيارات الدوامية من مركز موارد الاختبارات غير الإتلافية/الاختبارات غير الإتلافية. مؤرشفة بتاريخ 7 مايو 2006 على موقع Wayback Machine.
• مقدمة في اختبار التيار الدوامي بقلم جوزيف إم. باكلي (ملف PDF، 429 كيلوبايت)
• اختبار التيار الدوامي في المستوى 2 ، الوكالة الدولية للطاقة الذرية، فيينا، 2011 (pdf 5.6 ميجابايت).
• الممارسة القياسية ASTM E3052 لفحص لحامات الفولاذ الكربوني باستخدام مصفوفة التيارات الدوامية
• الصفحة الرسمية لمجموعة قياس سرعة قوة لورنتز ومجموعة اختبار التيارات الدوامية لقوة لورنتز. مؤرشفة بتاريخ 17 نوفمبر 2013 على موقع Wayback Machine.
• فيديو عن اختبار التيارات الدوامية ، جامعة كارلسروه للعلوم التطبيقية