borejko-d-a--diagnostika-neftegazopromyislovogo-oborudovaniya

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
ДИАГНОСТИКА
НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Лабораторный практикум
Методические указания
Ухта
УГТУ
2022
УДК 622.24.05(076.5)
ББК 33.131 я7
Б 82
Борейко, Д. А.
Б 82
Диагностика нефтегазопромыслового оборудования. Лабораторный
практикум : методические указания / Д. А. Борейко, А. Л. Смирнов,
М. А. Денисов. – Ухта : Изд-во УГТУ, 2022. – 101 с. ‒ Текст : электронный.
Лабораторный практикум предназначен для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Диагностика нефтегазопромысловых машин» для студентов
направления подготовки 21.03.01 Нефтегазовое дело и специальности 21.05.06
Нефтегазовая техника и технология, а также практических работ по дисциплине
«Проблемы диагностики в области эксплуатации технологических комплексов
нефтяных и газовых промыслов» для магистрантов направления подготовки
21.04.01 Нефтегазовое дело, программы «Проектирование, эксплуатация и диагностика технологических процессов и объектов нефтегазового производства».
УДК 622.24.05(076.5)
ББК 33.131 я7
Методические указания рассмотрены и одобрены заседанием кафедры
МОНиГП от 28 октября 2022 г., протокол № 02.
Рецензент: В. В. Соловьёв, доцент кафедры МОНиГП УГТУ.
Методические указания подготовлены в авторской редакции с минимальными
правками.
План 2022 г., позиция 005.
Компьютерный набор.
Объём 101 с. Заказ № 375.
© Ухтинский государственный технический университет, 2022
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 4
1. ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ......................................... 5
2. ТОЛЩИНОМЕТРИЯ ............................................................................................ 13
3. ТВЕРДОМЕТРИЯ ................................................................................................. 35
4. КАПИЛЛЯРНЫЙ МЕТОД ................................................................................... 45
5. МАГНИТОПОРОШКОВЫЙ МЕТОД ................................................................ 54
6. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ...................................................................... 66
7. КОНТРОЛЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МАТЕРИАЛА ............................. 78
8. ТЕПЛОВОЙ КОНТРОЛЬ ..................................................................................... 88
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ...................................................................... 99
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .................................................................................................... 100
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 .................................................................................................... 101
3
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторный практикум предназначен для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Диагностика нефтегазопромысловых машин» студентами
направления подготовки 21.03.01 Нефтегазовое дело и специальности 21.05.06
Нефтегазовая техника и технология, а также для выполнения практических работ
по дисциплине «Проблемы диагностики в области эксплуатации технологических комплексов нефтяных и газовых промыслов» магистрантами направления
подготовки 21.04.01 Нефтегазовое дело, программа «Проектирование, эксплуатация и диагностика технологических процессов и объектов нефтегазового производства». Практикум посвящён лабораторно-практическому изучению наиболее распространённых методов, средств и приборов неразрушающего контроля
для обнаружения различного рода дефектов на нефтегазопромысловом оборудовании, влияющих на его безопасную и надёжную эксплуатацию.
Выполнение лабораторных работ позволит бакалаврам на практике изучить сущность физических явлений, положенных в основу того или иного метода
диагностирования объекта, область применения конкретных методов и изучить
принцип действия приборов для их реализации.
Решение проблемно-ориентированных практических задач магистрантами
позволит им более углублённо изучить сущность имеющихся ограничений существующих методов неразрушающего контроля, в том числе применительно к
конкретным технологическим комплексам и оборудованию, являющимся объектами исследования в магистерских выпускных квалификационных работах (диссертациях). Перед каждой практической задачей магистрантам требуется также
повторить материал лабораторной работы для закрепления остаточных знаний
(если обучающийся является «профильным» выпускником бакалавриата), либо
приобретения соответствующих новых знаний и компетенций (если обучающийся не является «профильным» выпускником бакалавриата).
4
1. ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ
1.1. Теоретические основы метода
Под видимостью объектов понимают степень различимости объектов при
их наблюдении. Для неразрушающего контроля (НК) существенное значение
имеет видимость близко расположенных объектов, которая зависит от продолжительности рассматривания, а также от следующих основных факторов: контраста, яркости, цвета, угловых размеров объектов, резкости их контуров и условий освещения.
Каждому из указанных свойств соответствует свой абсолютный порог видимости, ниже которого предмет не может быть виден, сколь бы благоприятны
ни были условия наблюдения с точки зрения других факторов. Например, при
слишком малой яркости или очень малом контрасте предмет нельзя сделать видимым никаким увеличением угловых размеров или продолжительности рассматривания.
Видимость близко расположенных объектов зависит также от положения
источников света (при ослепляющем их воздействии видимость снижается) и
спектрального состава их излучения. Однако наиболее важными условиями видимости считают контраст и угловые размеры объекта.
Под контрастом понимают свойство объектов выделяться на окружающем
фоне благодаря различию их оптических свойств. Различают последовательный
и одновременный контрасты. Последовательный контраст заключается в изменении визуальной оценки объекта в зависимости от того, какой свет ранее действовал на тот же участок сетчатки. Явление последовательного контраста
должно учитываться при оборудовании рабочих мест, где проводится осмотр деталей и изделий.
Одновременный контраст объясняется различием излучения нескольких
видимых одновременно объектов, которые кажутся контролёру находящимися в
непосредственном соприкосновении. Способность глаза замечать различие таких объектов называют контрастной чувствительностью зрения. Контрасты, различаемые контролёром, разделяют на яркостные и цветовые. В первом случае
два излучения производят на глаз впечатления одинаковые по цветности, но разные по яркости. Во втором случае впечатления различаются по цветности. За
меру яркостного контраста чаще всего принимают отношение
B -B
K= ф о,
Bф
5
где
Вф ‒ яркость рассматриваемого объекта;
Во ‒ яркость окружающего фона.
При К > 0,5 контраст считается большим, при 0,2 < К < 0,5 ‒ средним, при
К ≤ 0,2 ‒ малым.
Наиболее отчётливое восприятие изображения возможно при максимальном контрасте между объектом и фоном. При этом сила действия контраста
прямо пропорциональна разности коэффициентов отражения поверхностей объекта и фона. Максимального яркостного контраста можно достигнуть при использовании белого и чёрного цветов, которые имеют соответственно наибольший и наименьший коэффициенты отражения. При солнечном освещении коэффициент отражения составляет 65...80 % ‒ для белого и 3...10 % ‒ для чёрного
цвета; яркостный контраст – 85...95 %.
Сравнение величин контраста между черным и белым, а также хроматическими цветами показывает, что наибольший контраст чёрного цвета с фоном достигается при жёлтом и белом цвете последнего. Белый цвет образует наибольший контраст из числа хроматических цветов с красным цветом. Меньше величина контраста белого с зелёным, ещё меньше ‒ белого с синим.
В работе глаза существенную роль играет минимальная величина яркостного контраста, которую контролёр ещё способен различать. Эта предельно малая величина контраста называется порогом контрастной чувствительности
глаза (Кпор). Порог контрастной чувствительности для большинства людей составляет 0,01...0,02 (т. е. 1...2 %) при наблюдении в дневных условиях объектов
с угловыми размерами не менее 0,5° при оптимальных условиях осмотра.
Отношение величины наблюдаемого контраста К к величине порогового
контраста Кпор при данных условиях определяет видимость объекта V.
K
V=
.
K пор
При наблюдаемом контрасте 15...20 % и пороговом контрасте 5 % видимость дефектов на поверхности деталей составляет 3...4. Однако при наблюдаемом контрасте, близком к нулю, их видимость также будет близка к нулю. Следовательно, некоторые даже крупные дефекты не могут быть обнаружены глазом
из-за малого контраста на поверхности деталей.
1.2. Основные сведения о методе
Среди всех методов НК особое место занимает Визуальный и Измерительный Контроль (ВИК). Данный метод контроля основан, в первую очередь, на возможностях человеческого организма, в частности, зрения.
6
Это единственный метод НК, который может выполняться без какого-либо
дорогостоящего и сложного оборудования и проводиться с использованием простейших измерительных инструментов.
С помощью визуального контроля можно обнаруживать отклонения формы
деталей и изделий, изъяны материала и обработки поверхности, а также другие
дефекты: остаточную деформацию, поверхностную пористость, крупные трещины, подрезы, риски, задиры, эрозионные и коррозионные поражения, следы
наклёпа и др. Визуально определяют состояние защитных покрытий, контролируют качество изделий по их цвету и осуществляют другие контрольные функции.
Оптические приборы позволяют намного расширить пределы естественных возможностей глаза. Острота зрения и разрешающая способность глаза увеличиваются примерно во столько раз, во сколько увеличивает оптический прибор. Это позволяет видеть мелкие объекты, размеры которых находятся за пределами границы видимости невооружённого глаза, а также мелкие детали видимых невооруженным глазом объектов.
Оптические приборы-эндоскопы позволяют осматривать детали и поверхности элементов конструкций, скрытые близлежащими деталями и недоступные
прямому наблюдению, контролировать состояние внутренней поверхности различных закрытых конструкций.
Визуальный контроль с применением оптических приборов называют визуально-оптическим. Он предназначен для обнаружения различных поверхностных дефектов материала деталей, скрытых дефектов агрегатов, контроля закрытых конструкций, труднодоступных мест механизмов и машин (при наличии каналов для доступа приборов к контролируемым объектам). Контроль проводится
путём наблюдения деталей и изделий в видимом свете. При контроле используются оптические приборы, создающие полное изображение проверяемой зоны,
её видимую картину.
Основные преимущества данного метода – простота контроля, несложное
оборудование, сравнительно малая трудоёмкость; к основному недостатку
можно отнести невысокую достоверность и чувствительность. Поэтому визуально оптический контроль применяют в следующих случаях:
 для поиска поверхностных дефектов (трещин, коррозионных и эрозионных повреждений, забоин, язв, открытых раковин, пор и др.) при визуально-оптическом контроле деталей;
 обнаружения крупных трещин, мест разрушения элементов конструкций, остаточной деформации скрытых или удалённых элементов конструкций,
течей, загрязнений, а также различных посторонних предметов внутри закрытых
конструкций;
7
 анализа характера и определения типа поверхностных дефектов, обнаруженных при контроле деталей каким-либо методом дефектоскопии (ультразвуковым, магнитопорошковым, цветным и др.).
В связи с тем, что с возрастанием увеличения оптических приборов существенно сокращается поле зрения и глубина резкости, снижаются производительность и надёжность контроля, для осмотра деталей в основном применяют
оптические приборы с увеличением не более 20‒30 крат.
Дефекты, даже относительно больших размеров, невидимые невооруженным глазом из-за малого контраста с фоном, при использовании оптических приборов, как правило, не обнаруживаются. ВИК позволяет обнаруживать поверхностные дефекты размером более 0,5 мм. Применение увеличительных средств
позволяет несколько уменьшить этот показатель.
ВИК регламентируется РД 03-606-03 «Инструкция по визуальному и измерительному контролю» и отличается от всех остальных методов НК тем, что применяется практически всегда при любом техническом диагностировании.
1.3. Инструменты для проведения ВИК
Минимальный комплект оборудования для ВИК (рис. 1.1) может включать
в себя: нормативный документ РД 03-606-03; фонарик карманный; маркер по металлу; лупу с подсветкой; рулетку измерительную 200 см; линейку измерительную 30 см; штангенциркуль; универсальный шаблон сварщика УШС-2; универсальный шаблон сварщика УШС-3; угольник поверочный; набор щупов № 4 Кл.
(0,1...1,0 мм); набор радиусов № 1 (1...6 мм); набор радиусов № 3 (7...25 мм);
сумку упаковочную.
Рисунок 1.1 – Стандартный комплект ВИК-1
8
Универсальный шаблон сварщика УШС-2 предназначен для контроля катетов угловых швов в диапазоне 4...14 мм (рис. 1.2). Контроль проводится ступенчатым методом определения до минимального зазора.
Рисунок 1.2 – УШС-2
Шаблон УШС-2 состоит из 3-х лепестков и 1 соединительного кольца.
Каждый из лепестков имеет точно выполненные выточки определённого катета.
Для удобства контроля рядом с каждой выточкой выбит размер соответствующего радиусу катета шва. Контроль катета сварного шва производится путём последовательного соприкосновения (подбора) лепестков с соединёнными сваркой
деталями. Размер считается установленным, если длинная сторона лепестка и перемычка между катетами лепестка прилегают к деталям без видимого зазора, а
зазор между дугами лепестка и шва является минимальным. При несовпадении
ни с одной ступенью размеров в указанном диапазоне значение катета определяется эмпирическим путём.
Универсальный шаблон сварщика УШС-3 предназначен для измерения контролируемых параметров труб, контроля качества сборки стыков соединений
труб, а также для измерения параметров сварного шва при его контроле (рис. 1.3).
Рисунок 1.3 – УШС-3
9
Шаблон УШС-3 состоит из основания (1), соединённого осью (4) с движком (2) и закреплённого на движке указателем (3).
Контроль производится следующим образом.
1. Контроль глубины раковин, глубины забоин, превышение кромок глубины разделки стыка до корневого слоя и высоту усиления шва производят при
установке шаблона поверхностью А на изделие, затем поворотом движка 2 вокруг оси 4 ввести указатель 3 в соприкосновение с измеряемой поверхностью.
Результат считывается против риски К по шкале Г.
2. Контроль зазора производится введением движка 2 его клиновой частью
в контролируемый зазор. По шкале И, нанесённой на движке, считывается результат.
3. Контроль притупления шва, ширины шва производить при помощи
шкалы Е, пользуясь ею как измерительной линейкой.
4. Контроль углов скоса кромок производится при установке шаблона поверхностью Б на образующую изделия. Затем, поворотом движка 2 совместить
без зазора его поверхность В с измеряемой поверхностью. Результат считывается
по шкале Д против поверхности движка В.
5. Определение диаметров проволоки производится с помощью пазов Ж.
Кроме указанных выше существует большое количество других шаблонов.
Принцип их применения аналогичен применению шаблонов УШС-2 и УШС-3.
Например, шаблон Красовского (рис. 1.4).
Рисунок 1.4 – Шаблон Красовского
Шаблон Красовского служит для контроля тавровых и нахлёсточных сварных соединений, стыковых сварных соединений, измерения зазора между кромками. Схемы его применения приведены на рисунке 1.5.
10
Рисунок 1.5 – Схемы применения шаблона Красовского
Остальные инструменты, представленные в наборе ВИК-1, широко известны абсолютному большинству людей, связанных с техникой: линейки,
угольники, штангенциркуль, лупы и т. д.
1.4. Основные нормативные документы, регламентирующие применение
ВИК
Основным нормативным документом, регламентирующим применение
ВИК, является РД 03-606-03 «Инструкция по визуальному и измерительному
контролю». Данная инструкция признается и применяется практически во всех
отраслях народного хозяйства.
1.5. Порядок выполнения лабораторной работы
1.5.1. Оборудование и материалы
Для проведения лабораторной работы требуются наборы для ВИК и образцы со сварными швами, включая образцы с поверхностными дефектами с линейными размерами не менее 0,5 мм. Дополнительно необходима ветошь и очистители для подготовки образцов к контролю.
11
1.5.2. Выполнение лабораторной работы
1. Изучить состав стандартного набора для ВИК.
2. Записать в отчёт по лабораторной работе состав стандартного набора
ВИК и предназначение каждой единицы набора.
3. Рассмотреть выданные для проведения контроля образцы и, при необходимости, провести работы по очистке их поверхности.
4. Зарисовать в бланке Заключения (прил. 1.1) схему образца (возможно,
его развёртку, и иные виды отдельных элементов образца, необходимые для полного понимания мест обнаружения и типов дефектов).
5. Выбрать необходимые инструменты и изучить образец.
6. Все результаты осмотра, измерений и выводы отразить в Заключении.
7. Классифицировать все обнаруженные дефекты.
8. В отчёте ответить на контрольные вопросы.
1.6. Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. Дать определение видимости объекта.
2. Какое минимальное время необходимо для возникновения зрительного
ощущения у человека?
3. Можно ли с помощью УШС-3 измерить ширину сварного шва?
4. Зачем в стандартном наборе для ВИК батарейки?
5. Каким инструментом можно измерить угол скоса кромки?
6. Каким нормативным документом регламентируется применение ВИК?
7. Какие дефекты можно обнаружить методом ВИК?
1.7. Практическое задание для магистрантов
1. Повторите (изучите) материал лабораторной работы.
2. Составьте перечень дефектов, которые можно обнаружить методом ВИК
на оборудовании, являющемся объектом магистерской диссертации.
3. Тезисно сформулируйте, какие Вы видите существенные ограничения
метода ВИК при проведении НК.
4. Опишите алгоритм действий при проведении ВИК на оборудовании, являющемся объектов Вашей магистерской диссертации.
12
2. ТОЛЩИНОМЕТРИЯ
2.1. Теоретические основы метода
Толщинометрия – это процесс измерения толщины и целостности материала при помощи специального прибора – толщиномера. Работа этого прибора основывается на отражении ультразвукового импульса от противоположной поверхности объекта контроля. Достоинством толщинометрии является высокая
точность измерения без разрушения обследуемого объекта.
Ультразвуковые методы контроля относятся к акустическому виду и заключаются в использовании упругих колебаний и волн с частотами 0,5…25 МГц.
Ультразвуковые толщиномеры измеряют время, которое затрачивает ультразвуковой импульс на прохождение до противоположной поверхности объекта контроля, отражение от неё и возвращение на преобразователь. Для проведения таких измерений доступ к противоположной поверхности объекта контроля не требуется. Благодаря этому, если противоположная поверхность объекта контроля
является труднодоступной или полностью недоступной, то нет необходимости
разрезать объект контроля, в отличие от измерения толщины с использованием
микрометра или штангенциркуля. С помощью ультразвуковых толщиномеров
может быть измерена толщина изделий из различных конструкционных материалов, таких как металлы, пластики, керамика, композиты, эпоксидная смола и
стекло, а также толщина слоя жидкости или биологических образцов. Так как
ультразвук плохо передаётся через воздух, между преобразователем и поверхностью объекта контроля наносится небольшое количество контактной жидкости.
Обычно для этого применяется глицерин, пропиленгликоль, вода или масло.
В приборе используется контактный способ измерения – прижим контактной поверхности ультразвукового преобразователя к поверхности контролируемого объекта с использованием контактной жидкости (вода, глицерин, спирт,
масло, консистентные смазочные материалы и т. д.). Принцип работы толщиномера основан на ультразвуковом импульсном эхо-методе измерений, который
использует свойство ультразвуковых колебаний отражаться от границы раздела
сред с разными акустическими сопротивлениями. Излучающая пластина преобразователя излучает импульс ультразвукового колебания через линию задержки
(призму) в направлении наружной поверхности изделия, толщину которого
нужно измерить. Импульс ультразвукового колебания распространяется в изделии до внутренней поверхности, отражается от неё, распространяется в направлении наружной поверхности и, пройдя линию задержки (призму), принимается
приёмной пластиной.
13
Время распространения ультразвукового колебания от одной поверхности
изделия до другой и обратно связано с толщиной изделия зависимостью:
V(t-Δt)
S=
2 ,
(2.1)
где
S ‒ толщина изделия, мм;
V ‒ скорость распространения УЗК в материале изделия, м/с;
t ‒ время между импульсом генератора и приходом 1-го отражённого импульса, с;
∆t ‒ время распространения импульса в призмах преобразователя, с.
Толщину детали или конструкции определяют путём измерения времени,
необходимого для того, чтобы короткий ультразвуковой импульс, излучаемый
преобразователем, прошёл через толщину материала один, два или несколько
раз. Этот принцип можно осуществить путём применения одного из следующих
режимов (рис. 2.1) ГОСТ Р ИСО 16809-2015.
Режим 1: измерение времени прохождения от начального импульса возбуждения до первого эхо-сигнала, минус коррекция «нуля» для учёта толщины
протектора преобразователя, компенсации износа и слоя контактной среды (режим однократного эхо-сигнала).
Режим 2: измерение времени прохождения от конца линии задержки до
первого донного эхо-сигнала (режим однократного эхо-сигнала линии задержки).
Режим 3: измерение времени прохождения между донными эхо-сигналами
(многократные эхо-сигналы).
Режим 4: измерение времени прохождения импульса от излучателя до приёмника в контакте с донной поверхностью (теневой метод).
Измерение толщины можно выполнить с помощью приборов следующих
типов:
 ультразвуковые толщиномеры с цифровым дисплеем, на котором отображается измеренное значение:
 ультразвуковые толщиномеры с цифровым дисплеем, на котором отображается измеренное значение, и развёрткой типа А (дисплей аналоговых сигналов);
 приборы, предназначенные для обнаружения несплошностей с развёрткой типа А.
14
Рисунок 2.1 – Режимы измерения толщины:
А – передающий/принимающий преобразователь;
А1 – передающий преобразователь; А2 – принимающий преобразователь;
А3 ‒ раздельносовмещённый преобразователь; В ‒ испытуемый объект;
С ‒ время прохождения акустического пути; D ‒ отметка импульса передачи;
Е1–Е3 ‒ донные эхо-сигналы; F ‒ эхо-сигнал от границы раздела;
G ‒ задержка; Н ‒ принятый импульс
При ультразвуковом контроле используют преобразователи следующих
типов, как правило, это преобразователи продольных волн:
‒ двухэлементные преобразователи (раздельно-совмещённые);
‒ одноэлементные преобразователи (совмещённые).
15
Необходимо обеспечить акустический контакт между преобразователем и
материалом, обычно такой контакт осуществляется с помощью жидкости или
геля. Контактная среда не должна оказывать неблагоприятного влияния на испытуемый объект и не должна представлять опасности для оператора. Необходимо
выбрать такую контактную среду, которая подходит к состоянию поверхности и
неровностям поверхности, чтобы обеспечить достаточный акустический контакт.
Ультразвуковой толщиномер калибруют на одном или нескольких настроечных образцах, представляющих измеряемый объект, т. е. с сопоставимыми размерами, материалом и конструкцией. Толщина настроечных образцов должна
охватывать диапазон измеряемой толщины. Должна быть известна толщина
настроечных образцов или скорость распространения звука в них.
Измеряемый объект должен обеспечить прохождение ультразвуковых
волн через объект, а также иметь свободный доступ к каждому отдельному измеряемому участку. На поверхности измеряемого участка не должно быть грязи,
смазки, ворсинок, окалины, сварочного флюса и брызг металла, масла или другого постороннего вещества, которое может мешать измерению. Если на поверхности есть покрытие, то оно должно хорошо прилипать к материалу. В противном случае, его необходимо удалить.
При выполнении измерения через покрытие необходимо знать его толщину и скорость распространения звука в нем, если только не используется режим 3.
Применение режима эхо-имлульсов означает, что ультразвуковой импульс
должен пройти поверхность контакта между контролируемым объектом и преобразователем не менее двух раз: входя в объект и выходя из него. Поэтому следует предпочесть чистый и ровный участок контакта размером не менее двукратного диаметра преобразователя. Плохой контакт приведёт к потере энергии, искажению сигнала и акустического пути.
Для обеспечения ввода звука необходимо очистить поверхность и удалить
отслаивающиеся покрытия с помощью щётки или шлифовки. Нанесённые слои,
такие как лакокрасочное покрытие, электролитическое покрытие, эмаль, могут
оставаться на объекте, но лишь несколько типов измерительных приборов способны исключить эти слои из измерения.
Часто необходимо выполнять измерения толщины на корродированных
поверхностях, например, на резервуарах и трубопроводах. Для повышения точности измерения необходимо шлифовать контактную поверхность на участке
размером не менее двух диаметров преобразователя. На этом участке не должно
быть продуктов коррозии.
16
Следует принять меры предосторожности, чтобы не уменьшить толщину
объекта ниже минимально допустимого значения (при этом шероховатость поверхности должна быть не хуже 40 мкм).
Задачу ультразвукового измерения толщины можно разделить на две области применения:
‒ измерение в процессе производства;
‒ измерение остаточной толщины стенки в процессе эксплуатации.
Каждая из этих областей применения характеризуется своими особыми
условиями, требующими специальных методов измерения:
a) в зависимости от толщины материала, следует использовать частоты от
100 кГц при прохождении через материалы с сильным затуханием до 50 МГц для
тонких металлических листов;
б) в случае использования раздельно-совмещённых преобразователей
необходимо компенсировать время задержки в призме;
в) на объектах с криволинейной поверхностью диаметр участка контакта преобразователя должен быть значительно меньше диаметра испытуемого объекта;
г) точность измерения толщины зависит от того, насколько точно можно
измерить время прохождения ультразвукового импульса, в зависимости от режима измерения времени (переход через «нуль», между фронтами, между пиками), от выбранного режима (в режиме 3 с многократными эхо-сигналами точность выше, чем в режимах 1 и 2), от частот, которые можно использовать (более
высокие частоты обеспечивают более высокую точность, чем более низкие частоты, поскольку обеспечивают более точное измерение времени).
Ультразвуковое измерение толщины означает измерение времени прохождения и последующее вычисление толщины, зная постоянную скорость звука в
материале контролируемого объекта. Если на пути прохождения ультразвукового импульса скорость звука не постоянная, то это серьёзно влияет на точность
измерения.
2.2. Устройство и работа толщиномера
Толщиномер ультразвуковой ТЭМП-УT1(далее – толщиномер, прибор),
предназначен для измерения толщины изделий, изготовленных из конструкционных металлических сплавов и неметаллических материалов при одностороннем доступе, и при значениях скорости распространения продольных ультразвуковых колебаний в диапазоне от 1 000 до 9 999 м/с, а также скорости распространения ультразвуковых колебаний в изделиях известной толщины.
17
Толщиномер ТЭМП-УТ1 изготовлен в соответствии с ТУ 427612-00199076882-2008 и является переносным ультразвуковым контактным толщиномером общего назначения для ручного контроля. Использует эхо-импульсный метод контроля при работе с преобразователями ультразвуковыми прямыми раздельно-совмещёнными по ГОСТ 26266-90 (в дальнейшем преобразователи) на
номинальные частоты 2,5; 5 и 10 МГц и может применяться для измерения толщины стенки ёмкостей, труб, трубопроводов, толщины мостовых, корпусных,
транспортных и других конструкций и изделий, в том числе с окрашенными и
корродированными поверхностями, в процессе их ремонта, эксплуатации или изготовления на энергетических, трубопрокатных, машиностроительных, судостроительных, судоремонтных, транспортных и других предприятиях.
Блок-схема толщиномера приведена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Блок-схема толщиномера:
МК – микроконтроллер; Кл – клавиатура; ЖКИ – жидкокристаллический индикатор;
ПК – блок интерфейса (USB) для связи с компьютером;
Синхр – схема синхронизации; ГИ – генератор импульсов; РУ – регулируемый усилитель;
ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь; ПС – преобразователь сигнала
Работа толщиномера осуществляется под управлением микроконтроллера
(МК) в соответствии с записанной в его памяти программой и командами оператора, поступающими с клавиатуры прибора.
Генератор ультразвуковых колебаний формирует короткий импульс амплитудой около 80 В и длительностью переднего фронта не более 10 нс, который
через разъём толщиномера поступает на излучающую пластину пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП).
18
Импульс ультразвукового колебания, отражённый от внутренней поверхности изделия, принимается приёмной пластиной преобразователя и преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход регулируемого усилителя (РУ), а с выхода усилителя в преобразователь сигнала (ПС). Коэффициент
усиления усилителя задаётся микроконтроллером в соответствии с выбором оператора. Преобразователь сигнала формирует импульс, длительность которого
равна интервалу времени от момента формирования импульса генератора до момента прихода первого отражённого импульса на вход усилителя.
Микроконтроллер подсчитывает количество периодов сигнала образцовой
частоты, формируемого схемой синхронизации, и рассчитывает эквивалентную
толщину по приведённой выше формуле (2.1) с учётом поправок на время задержки импульса в призмах ПЭП. Полученный результат выводится на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) вместе с необходимой дополнительной информацией. Кроме того, микроконтроллер по командам оператора запоминает
результаты измерений и передаёт их на компьютер через порт USB.
Общий вид ЖКИ толщиномера приведён на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Общий вид индикатора толщиномера:
1‒6 – знакоместа для отображения цифровой и буквенной информации (результаты
измерений, режим работы и прочее);
7 – в данной модификации прибора не используется;
8 – символ включения режима индикации минимального значения толщины;
9 – символ акустического контакта;
10,11,12 – символы остаточного уровня заряда батареи;
13 – символ включения подсветки индикатора
Расположение и назначение кнопок на клавиатуре и разъёмов толщиномера схематично представлено на рисунке 2.3
19
Рисунок 2.3 – Общий вид толщиномера:
1 – корпус прибора, 2 – жидкокристаллический индикатор,
3 – клавиатура, 4 – образец толщиной 5 мм,
5 – кнопка включения, выключения и возврата в основной режим,
6 – кнопка выбора режимов, 7 – кнопка уменьшения показаний,
8 – кнопка увеличения показаний, 9 – входной разъем приёмника,
10 – выходной разъём генератора,
11 – разъём mini-USB для связи с компьютером
2.3. Подготовка к работе
2.3.1. Подготовка поверхности
Точность, с которой будут произведены измерения, существенно зависит
от состояния контакта между преобразователем и поверхностью изделия, контактной смазки, а также от шероховатости поверхности.
Если контактирующая с преобразователем поверхность контролируемого
изделия очень шероховатая или покрыта слоем окалины (ржавчины), то необходимо зачистить её с помощью шлифовальной машинки, напильника, рашпиля,
шлифовальной шкурки и т. д.
Оставшиеся крошки абразивного материала, окалины или ржавчины необходимо удалить с поверхности, т. к. они могут снизить точность измерений и
привести к повышенному износу преобразователя.
20
Особенно тщательно необходимо готовить поверхность при проведении
измерений на поверхностях с радиусом кривизны менее 40 мм.
Краску удалять не обязательно, если её слой тонкий и нет отслоений от
материала, толщину которого следует измерить. Однако при этом надо иметь в
виду, что толщина краски войдёт в полученный результат измерения (с некоторым коэффициентом, определяемым соотношением скоростей ультразвука в металле и в краске).
2.3.2. Выбор контактной смазки
Чтобы дать возможность ультразвуку распространяться в материале, необходимо создать тонкий соединяющий слой между поверхностью материала и поверхностью преобразователя. В большинстве случаев рекомендуется применять
глицерин, воду или специальные акустические гели для ультразвуковой диагностики. Возможно также использование машинного или трансформаторного
масла, однако у некоторых типов преобразователей масло, со временем пропитывая акустический экран, снижает рабочие характеристики вплоть до выхода
ПЭП из строя.
При контроле изделий с сильно корродированными поверхностями хорошие результаты может дать применение густых консистентных смазок типа ЦИАТИМ, солидол и т. д. Консистентные смазки рекомендуется применять также
при контроле вертикальных поверхностей.
При выборе контактной смазки для контроля необходимо учитывать следующее:
‒ смазка не должна взаимодействовать с материалом контролируемого изделия (так, например, кислотосодержащие смазки могут привести к сильной коррозии);
‒ некоторые смазки приводят к образованию воздушных пузырей при манипулировании преобразователем, что затрудняет введение ультразвука;
‒ применяемая смазка не должна густеть при работе в условиях отрицательных температур окружающей среды, поскольку это может привести к изменению показаний индикатора в момент снятия преобразователя с изделия (происходит прилипание смазки к преобразователю и отражение ультразвука от поверхности слоя смазки).
После работы с прибором, во избежание порчи преобразователя, нужно
удалить смазку с его контактной поверхности с помощью водки или спирта.
21
2.3.3. Выбор и подключение преобразователя
В зависимости от условий и объекта контроля выберите тип преобразователя. При этом необходимо учитывать диапазоны измерений, а также следующие
рекомендации:
‒ преобразователь П112-10-4×4 применять при необходимости проведения
измерений толщины плоских изделий с повышенной точностью, а также при измерении толщины стенок труб диаметром более 6 мм;
‒ преобразователи П112-5-12/2 и П112-5-4×4 применять при проведении
измерений толщины сильно корродированных плоских изделий и стенок труб
большого диаметра (более 100 мм), а также при измерении толщины изделий из
материалов с большим акустическим затуханием ультразвуковых колебаний,
например, чугуна, латуни;
‒ преобразователь П112-2,5-12/2 применять при измерении изделий большой
толщины (до 300 мм) или изделий из материалов с повышенным затуханием УЗК.
Кроме рекомендованных к применению в комплекте с прибором могут использоваться другие аналогичные по характеристикам преобразователи, имеющие разъёмы типа «Лемо 0» и не содержащие внутри индуктивных цепей согласования (например, высокотемпературные, для изделий с температурой поверхности до +350 ºС). Дополнительная настройка прибора при этом не требуется
(см. режимы «Калибровка» и «Задание коэффициента усиления»).
Подключите выбранный ПЭП к толщиномеру – разъёмы 9 и 10
(см. рис. 2.3) с помощью поставляемых кабелей с разъёмами типа «Лемо 0».
Так как толщиномер не привязан к какому-то определённому типу преобразователей, то он может работать практически с любым преобразователем для
толщиномеров.
2.3.4. Включение толщиномера
При отсутствии батарей в приборе снять крышку батарейного отсека, расположенную на задней стенке корпуса прибора (для снятия крышки нажать на её
верхнюю часть с гравировкой и сдвинуть вниз). Установить 2 батареи типа АА
(или аккумуляторы) в батарейный отсек, согласно указанной полярности. Закрыть крышку батарейного отсека.
Включить прибор нажатием кнопки «Вкл». При этом на одну секунду
включается подсветка индикатора и появляется сообщение о типе прибора и версии программы микроконтроллера – например, «УТ1. V4.0». Затем прибор переходит в основной режим работы, при этом на индикаторе отображается «0.0 мм»
22
или «0.00 мм» в зависимости от выбранной ранее дискретности измерений.
Кроме того, в левой части индикатора отображается графическая информация о
состоянии батареи.
Прибор автоматически отключается при отсутствии активных действий
оператора с прибором (если не проводится работа с преобразователем, и не
нажимаются кнопки на клавиатуре) в течение 70 секунд.
2.4. Порядок работы с толщиномером
Обычно толщиномер уже настроен для работы с одним из поставляемых
преобразователей.
Поэтому достаточно включить прибор нажатием кнопки «Вкл», проверить
показания прибора на встроенном в корпус стальном образце толщиной 5 мм и
можно начинать работу. При необходимости можно откалибровать прибор в режиме калибровки.
2.4.1. Режимы работы толщиномера
Для удобства работы Пользователя прибор имеет 14 режимов работы (пунктов меню), переход между которыми осуществляется циклически кнопкой «Р».
При нажатии кнопки «Вкл» в любом из режимов происходит возврат (как
Esc в компьютере) прибора в основной рабочий режим (режим измерения толщины).
Кнопки со стрелками (◄ ►) являются функциональными, их назначение
различно в разных режимах. Номер режима означает, сколько раз нужно нажать
кнопку «Р» в основном состоянии, чтобы перейти к выбранному режиму. В
столбце «Индикация» показана информация, появляющаяся в русском и английском вариантах меню прибора.
2.4.2. Настройка прибора и ввод исходных данных
Изменение настроек в разных режимах проводится только по необходимости, в случае, когда нужно изменить или подстроить тот или иной параметр в
толщиномере. Переход от одного режима к другому осуществляется нажатием
кнопки «Р».
Нажатием кнопки «Р» перейти в режим задания коэффициента усиления
(КУ). На индикаторе отобразится текущее значение, например, «424 КУ». С
помощью кнопок со стрелками его можно изменять в пределах от 10 до 424. В
23
большинстве случаев рекомендуется увеличивать КУ при измерениях на максимальных и минимальных для выбранного преобразователя толщинах, а также
при работе в условиях плохого акустического контакта (по грубым и корродированным поверхностям). Уменьшать КУ рекомендуется при работе с преобразователями с призмами из кварцевого стекла в среднем диапазоне толщин.
Нажатием кнопки «Р» перейти в режим выбора напряжения порога (отсечки). На индикаторе отобразится текущее значение, например, «0.60 Uп». С
помощью кнопок со стрелками его можно изменять в пределах от 0.1 до 2.0 В с
шагом 0.01 В. Уменьшение порогового напряжения эквивалентно увеличению
коэффициента усиления, а его увеличение – уменьшению коэффициента усиления. Следует обратить внимание, что чрезмерное уменьшение порогового напряжения приведёт к ложным срабатываниям прибора по шумам и помехам. Если
прибор работает устойчиво, менять КУ и Uп не рекомендуется.
Признаком правильного выбора коэффициента усиления и порогового
напряжения является стабильный акустический контакт и малый разброс результатов измерений.
Обычно, при смене одного преобразователя на другой, например, с П1125-6/2 на П112-2,5-12/2, нужно проверить устойчивость работы прибора с этим
преобразователем на встроенном в корпус прибора образце 5 мм или на других
образцах разной толщины и, при необходимости, подобрать режим, при котором
прибор будет работать устойчиво без разброса результатов измерений.
Перейти нажатием кнопки «Р» в режим калибровки по одной точке. Установить преобразователь на образец толщины (его толщина – 5,00 мм), вмонтированный в корпус прибора. На индикаторе должен появиться символ акустического контакта и значение толщины, например, «5.09 К1». Снять преобразователь с образца и, не выходя из режима калибровки, с помощью кнопок со стрелками (◄ ►) увеличить или уменьшить значение до номинального, т.е. пока не
будет выставлено точно 5 мм. Тем самым будет установлено значение поправки
на задержку ультразвуковых колебаний в призмах преобразователя.
Если прибор показывает точное значение толщины на встроенном образце – 5,0 или 5,00 для разных дискретностей – калибровать его не нужно.
Также можно откалибровать прибор на образце-ступеньке на разных толщинах, или на натурных образцах (изделиях) с известной толщиной.
Для повышения точности измерений рекомендуется проводить калибровку
перед началом каждой серии измерений на образце, толщина которого близка к
толщине контролируемого объекта.
24
Нажатием кнопки «Р» перейти прибор в режим задания скорости ультразвука. На индикаторе отобразится текущее значение, например, «5920 V». С помощью кнопок со стрелками его можно изменять в пределах от 1000 до 9999 м/с.
Скорость ультразвука нужно менять только в случае, когда известен материал и точное значение скорости ультразвука в нем или, например, если при проверке на образце-ступеньке, на одних толщинах прибор показывает завышенные
показания, а на других ‒ заниженные.
Перейдя в режим выбора номера файла «ВФ1. 07» нажатием кнопки «Р»,
можно выбрать номер файла, в котором будут запомнены результаты измерений.
ВФ 1. 07 означает ‒ в 1-м файле запомнено 7 результатов. Всего файлов 10, номера идут от 0 до 9, в каждом можно запомнить до 100 результатов. Результаты
запоминаются в основном рабочем режиме нажатием кнопки ► (стрелка
вправо). Если проводить запоминание данных в каком-либо файле после достижения 100 результатов, то последующие запоминаемые данные будут стирать
ранее запомненные данные. Если это уже произошло, вы увидите на индикаторе
символ переполнения ‒ букву «п» между номером файла и номером последней
записанной ячейки.
Запомненные данные можно просмотреть в режиме просмотра данных.
Символ «07F1» означает, что 7 результатов запомнено в файле 1. Просмотр проводится нажатием (с удержанием) кнопок ◄ или ►. При этом будет видно, какой
результат запомнен в конкретной ячейке памяти.
В режиме стирание памяти «СТЕР.F1» (F1 означает, что выбран 1-й файл)
можно стереть память предварительно выбранного файла нажатием и удержанием кнопки ◄ более 3 сек.
Скорость ультразвука в каком-либо изделии при толщинах от 10 до 300 мм
можно определить, последовательно задав (кнопками ◄ ►) известную толщину
образца (изделия) в режиме «50.0 S0» и, перейдя в режим «00 м/с», измерив точное значение скорости ультразвука в м/с. Скорость ультразвука можно измерить
и при малых толщинах образцов (изделий), но при этом погрешность определения этого параметра возрастает.
При переводе прибора в режим установки времени подсветки индикатора,
можно менять время включения подсветки.
При этом отобразится информация вида: «СВЕТ 0», где цифра указывает
время (в секундах), в течение которого подсветка будет включена после последнего нажатия на какую-либо кнопку клавиатуры прибора или обновления показаний на индикаторе. «0» означает, что подсветка выключена, «п» ‒ включена
постоянно. Перебор значений осуществляется циклически вниз или вверх кнопками ◄ ►.
25
Использование подсветки снижает ресурс работы прибора от батарей, поэтому рекомендуется выбирать режимы подсветки от 1 до 5 с.
При переходе нажатием кнопки «Р» в режим установок дискретности измерений на индикаторе отобразится информация о высокочастотном «В» (для
преобразователей 10 или 5 МГц) или низкочастотном «Н» (для преобразователей
2,5 МГц) режимах, а также о текущих установках дискретности измерений (0.1
или 0.01) и состоянии цифрового сглаживающего фильтра (включён ‒ 1 или выключен ‒ 0).
Например, «В.1 ФЛ1» означает, что включён высокочастотный диапазон
измерений, дискретность измерений составляет 0,1 мм, цифровой фильтр включён. С помощью кнопок ◄ ► можно последовательно выбрать любое сочетание
частот, дискретности и состояния фильтра.
Применение цифрового фильтра повышает точность и устойчивость показаний путём снижения помех, вносимых за счёт собственных шумов преобразователя и низкого качества поверхностей изделия, однако несколько увеличивает
время реакции на небольшие (порядка 0,1...0,3 мм) изменения толщины. При использовании дискретности 0.01 мм рекомендуется работать только с включённым фильтром.
Чаще всего используют вариант «В.1 ФЛ1».
Внимание! Погрешность измерения в значительной степени определяется
объектом и условиями измерения, поэтому установка дискретности 0,01 мм может
не дать ожидаемых результатов. Реальное повышение точности измерений получается при контроле изделий толщиной от 0,5 до 50 мм с плоской поверхностью
или радиусом кривизны более 25 мм. Шероховатость поверхности изделия при
этом должна быть не более Ra 20 мкм. Тип применяемой контактной жидкости и
усилие прижима преобразователя к поверхности должны быть постоянными.
В режиме восстановления настроек по умолчанию «ВОССТ» можно вернуть настройки в исходные, которые были при поставке прибора. Для этого следует нажать и удерживать кнопку ◄ в течение 3с.
В режиме «РУС» и «ENG» можно сменить кнопками ◄ ► названия
настроек режимов на русском и английском языках.
2.5. Измерение толщины
2.5.1. Общие указания
Постоянно контролируйте наличие символа акустического контакта. Измерение возможно только при индикации акустического контакта. В противном
26
случае на индикаторе находится результат предыдущего измерения.
Поверхность измерения следует зачистить до металлического блеска.
Не нажимайте сильно преобразователем на поверхность контролируемого
изделия! Не допускайте скольжения преобразователем по поверхности изделия,
если она шероховатая.
Поднимайте преобразователь всегда, когда собираетесь перейти к следующей точке измерения. Соблюдение этих условий предотвратит преждевременный износ контактной поверхности преобразователя и продлит срок его службы;
Целесообразно проводить не менее двух измерений в одной и той же точке,
предварительно немного повернув преобразователь по или против часовой
стрелки;
Если нужно повторить измерения на интересующем участке поверхности,
изменяйте ориентацию преобразователя, поворачивая его по или против часовой
стрелки перед каждым новым измерением.
При контроле изделий сложной формы возможны такие условия, что отражённый сигнал не попадёт на приёмную часть преобразователя (т. е. задняя стенка
изделия отразит энергию в сторону от преобразователя). В этом случае может помочь лёгкое движение и вращение преобразователя, однако, чтобы избежать ошибочных или сомнительных измерений, необходимо обязательно проводить повторные измерения с поворотом преобразователя относительно его оси по или
против часовой стрелки. Показаниям толщиномера в этом случае можно доверять,
если результаты повторных измерений отличаются не более, чем на ± 0,2 мм.
Эффективным способом контроля изделий сложной формы является режим индикации минимального значения толщины (включается и выключается в
основном режиме нажатием кнопки ◄). В этом режиме при лёгком движении
или вращении преобразователя толщиномер сам выберет минимальные показания и отобразит их на индикаторе. Однако и в этом случае необходимо проводить
повторные измерения с предварительным сбросом измеренного значения. Последующие измерения в одной и той же точке должны отличаться от предыдущих не более чем на ± 0,2 мм. Превышение этих пределов означает, что условия
контроля (форма изделия, качество поверхности или структура материала изделия) не позволяют провести более точные измерения.
Проведение контроля толщины интересующих участков изделия желательно проводить не хаотично, а планомерно, занося результаты измерений в память толщиномера.
При этом возможно линейное планирование (рис. 2.4) ‒ проведение ряда
однократных измерений (включая вращение) с постоянным шагом вдоль намеченной линии. При проведении матричного (двухкоординатного) планирования
27
(рис. 2.5) измерения осуществляют по намеченным координатам. Такой контроль позволяет получить карту распределения толщины контролируемой области (рис. 2.6) и увеличить достоверность контроля.
Рисунок 2.4 – Линейное планирование
Рисунок 2.5 – Матричное планирование
Рисунок 2.6 – Карта распределения толщины контролируемой области
Если при контроле изделия толщиномер устойчиво показывает значение,
заведомо меньшее толщины изделия в данной точке, то это может свидетельствовать о наличии раковины, расслоения, неоднородности и пр. В этом случае
рекомендуется дополнительно провести контроль этого участка ультразвуковым
28
дефектоскопом или другим способом (например, магнитным или рентгеноскопическим).
2.5.2. Измерение толщины изделий с корродированными поверхностями
В тех случаях, когда контактная или отражающая поверхность контролируемого изделия имеют большую шероховатость или сильно корродированны,
необходимо учитывать следующие рекомендации:
 обязательно применять метод двукратного измерения с поворотом преобразователя по или против часовой стрелки;
 при плохой контактной поверхности следует применять густые контактные смазки, которые заполнили бы «впадины». При этом, возможно, необходимо
увеличить усилие прижима при установке преобразователя для уменьшения толщины слоя смазки и его влияния на результат измерений;
 при использовании преобразователей с призмами из кварцевого стекла,
чрезмерное усилие прижима на грубой поверхности, особенно с малым радиусом
кривизны, может привести к появлению трещин и сколов на рабочей поверхности преобразователя вплоть до его выхода из строя;
 при применении густых смазок следует учитывать возможность изменения показаний в момент снятия преобразователя. Поэтому, при необходимости
запоминания значений толщины в памяти, запись следует проводить при установленном преобразователе;
 хорошие результаты может дать применение режима измерения минимального значения. При этом включение режима (сброс показаний на индикаторе) необходимо проводить после установки преобразователя на изделие, а считывание показаний или запись в память ‒ до его снятия;
 следует учитывать, что при шероховатой или корродированной поверхности изделий толщиномер измеряет расстояние от контактной поверхности преобразователя до «впадин» на отражающей поверхности;
 при контроле сильно корродированных или очень шероховатых участков изделий, возможно, что отражённый ультразвуковой импульс не будет приниматься приёмной пластиной преобразователя, т. е. будет отсутствовать индикация акустического контакта даже при максимальном коэффициенте усиления.
Это означает, что контроль толщины на данном участке изделия невозможен.
29
2.5.3. Измерение толщины стенок труб
Измерение толщины стенок труб имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при контроле:
 преобразователь необходимо устанавливать на трубу таким образом,
чтобы линия акустического экрана, разделяющего приёмную и передающую
призмы преобразователя, была ориентирована перпендикулярно к продольной
оси трубы с допустимым отклонением не более ± 30 °, при этом для преобразователей типа П112-10-4×4 или 3×4 рекомендуется проводить измерения так,
чтобы линия перегородки преобразователя не была соосна оси трубы, а крестообразно пересекала её;
 после установки преобразователя на трубу следует добиться минимальных показаний прибора, плавно покачивая преобразователь в плоскости перпендикулярной оси трубы;
 хорошие результаты даёт применение режима индикации минимального
значения;
 для увеличения достоверности измерений следует проводить повторные
измерения в той же точке. При этом результаты измерений должны отличаться
не более чем на ± 0,2 мм.
2.5.4. Режим измерения толщины
Вход в режим измерения толщины происходит автоматически при включении прибора, а также при выходе из любого режима кнопкой «Вкл».
Для измерения толщины нанесите контактную смазку на контролируемый
участок изделия и прижмите к нему преобразователь. После появления символа
акустического контакта на индикаторе появляется измеренное значение толщины. После снятия преобразователя с изделия символ контакта гаснет, а на индикаторе остаётся значение последнего измерения.
Измерение толщины может осуществляться как в обычном режиме (с индикацией результатов каждого измерения), так и в режиме индикации минимального значения.
Последний режим обеспечивает стабильную индикацию минимального
значения толщины в пределах конкретного изделия, исключая небольшие вариации толщины, например, из-за нестабильного контакта или большой шероховатости поверхности. Этот режим также может быть полезен для быстрого выявления небольших дефектов внутренней поверхности изделий, например, коррозионных язв.
30
Режим измерения толщины с индикацией минимального значения отличается от обычного режима измерения толщины наличием специального символа
в левом верхнем углу индикатора.
Для включения режима индикации минимального значения, находясь в режиме измерения толщины, следует нажать кнопку ◄ (стрелка влево).
Для выхода из этого режима нужно повторно нажать на ту же кнопку.
При каждом нажатии значение толщины, отображаемое на индикаторе, обнуляется.
Внимание! При выключении и повторном включении прибора режим измерения минимума нужно включать заново.
При проведении измерения толщины в этом режиме толщиномер выбирает
из получаемых значений минимальное, которое и выводится на индикатор.
Смена показаний индикатора в этом режиме происходит только в случае, когда
следующая измеряемая толщина меньше значения, находящегося в данный момент на индикаторе. Если толщина изделия больше, чем текущая на индикаторе
– его показания не будут меняться. При наличии акустического контакта выбор
минимального значения осуществляется постоянно.
2.5.5. Измерение скорости импульса
Нажатием кнопки «Р» перейти в режим задания толщины для измерения
скорости ультразвука. При этом на индикаторе отобразится информация вида
«50.0 So», где число означает выбранную толщину образца (или изделия), на котором будет измеряться скорость импульса ультразвукового колебания. Кнопками ◄ ► можно уменьшить или увеличить это число в пределах от 1 до 200 мм.
Установленное значение толщины запоминается в памяти толщиномера.
Перейти в режим измерения скорости импульса ультразвукового колебания. Для установки данного режима, находясь в режим задания толщины для измерения скорости ультразвука, нажать кнопку «Р». На индикаторе появится значение скорости, полученное при последнем измерении скорости распространения УЗК и символ типа «5850 м/с».
Для измерения скорости распространения УЗК нанесите контактную
смазку на контролируемый участок изделия и прижмите к нему преобразователь.
При появлении символа акустического контакта на индикаторе высвечивается
измеренное значение скорости распространения УЗК в контролируемом материале. После снятия преобразователя с изделия индикатор акустического контакта
гаснет, а на индикаторе остаётся значение последнего измерения.
31
Внимание! При измерении скорости распространения УЗК в материале
необходимо учитывать следующее:
‒ толщина участка изделия, на котором проводится измерение скорости
распространения ультразвуковых колебаний, должна быть известна с погрешностью не более ± 0,1 %. В противном случае будет увеличиваться погрешность
измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний;
‒ погрешность измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний обратно пропорциональна толщине участка, на котором проводится измерение.
В том случае, если измерение скорости распространения ультразвуковых колебаний в материале изделия проводилось для её использования в дальнейшем при
контроле толщины, необходимо по окончании измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний перейти в режим задания скорости и установить полученное значение скорости распространения ультразвуковых колебаний.
2.6. Работа с памятью толщиномера
Результаты измерений толщины или скорости распространения УЗК могут
быть записаны в энергонезависимую файловую память прибора нажатием
кнопки ► в основном режиме 0 (толщина, мм) или в режиме 9 (скорость ультразвука, м/с).
Пока кнопка ► нажата, на индикаторе отображается номер ячейки памяти,
в которую производится запись и символ операции записи в память.
Например, «77F5+» означает, что запись производится в 77-ю ячейку памяти 5-го файла. При отпускании кнопки на индикаторе снова отображается результат последнего измерения. Общее количество ячеек памяти – 1000 (10 файлов по 100 результатов, номера файлов – от 0 до 9).
Внимание! При заполнении всех ячеек какого-либо файла запись снова
начинается с первой ячейки, при этом новое значение записывается на место старого, хранившегося в этой ячейке.
Просмотр запомненных данных предварительно выбранного файла (любого из 10-ти файлов от 0 до 9) на дисплее прибора возможен при выборе кнопкой «Р» режима с символом «12F0» см. таблицу 4. В символе «12F0»: 12 – число
запомненных данных в файле 0.
Нажатием кнопок ◄ ► можно просмотреть содержимое последовательно
всех ячеек памяти в сторону увеличения или уменьшения порядковых номеров
циклически (т. е. после последней записанной ячейки следует первая). Пока
32
кнопка со стрелкой нажата, на дисплее прибора отображается содержимое ранее
выбранной ячейки. При отпускании происходит переход к следующей ячейке и
отображается её порядковый номер.
Если данные в выбранном файле памяти прибора были предварительно
стёрты или не были записаны изначально, то при входе в режим чтения на дисплее отобразится «00F0», и при нажатии любой из кнопок ◄ ► на дисплей будет
выведено сообщение «ПУСТО».
Для вывода информации на компьютер в операционной системе
WINDOWS 2000/XP/Vista/7 вместе с толщиномером ТЭМП-УТ1 поставляются:
‒ кабель связи прибора с компьютером через порт USB;
‒ программа-установщик драйвера устройства temp_usb.ехе и сервисная
программа ut1.exe (ut1_42.exe) (для считывания результатов измерений) на CDдиске в папке «ПО ТЭМП-УТ1-USB».
2.7. Порядок выполнения лабораторной работы
1. Ознакомиться с работой прибора ТЭМП-УТ1.
2. Провести измерения штангенциркулем образцов из стали в трёх произвольных точках.
3. Провести измерения толщиномером ТЭМП-УТ1 образцов из стали в
трёх произвольных точках.
4. Результаты проведённых измерений внести в отчёт (табл. 2.1).
5. Произвести расчёты среднего значения толщины стенки из полученных
результатов.
6. Рассчитать абсолютную погрешность измерений.
7. Проанализировать полученные результаты. Сделать выводы.
Образец
Таблица 2.1 – Форма для фиксации результатов измерений толщины образцов из
разных материалов штангенциркулем и УД9812
1
2
3
Инструмент
Измеренная толщина
образца в точках, мм
Т. 1
Т. 2
Т. 3
Штангенциркуль
УЗТ
Штангенциркуль
УЗТ
Штангенциркуль
УЗТ
33
Среднее
значение
толщины,
мм
Погрешность измерений
абсолютная,
относительная, %
мм
2.8. Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. Какими режимами по ГОСТ Р ИСО 16809-2015 определяют толщину
стенки изделия или конструкции?
2. В чем заключается сущность эхо-импульсного метода?
3. Какие задачи решает ультразвуковое измерение толщины изделия или
конструкции?
4. Какие преобразователи используют для определения толщины изделия
или конструкции?
2.9. Практическое задание для магистрантов
1. Повторите (изучите) материал лабораторной работы.
2. Определите, на каких элементах оборудования, являющегося объектом
магистерской диссертации, наиболее целесообразно проводить толщинометрию.
3. Тезисно сформулируйте, какие Вы видите существенные ограничения
метода толщинометрии при проведении НК.
4. Какие характерные дефекты оборудования, являющегося объектом магистерской диссертации, можно определить при помощи толщинометрии?
34
3. ТВЁРДОМЕТРИЯ
3.1. Теоретические сведения о методе
Твёрдость – свойство поверхностного слоя материала сопротивляться деформации (или разрушению) при местном контактном воздействии на него другого, более твёрдого тела (индентора). Твёрдость в значительной степени зависит
от состава материала, его температуры нагрева и предварительной технологической обработки (цементации, отжига, закалки, механического упрочнения и т. д.).
Твёрдость как свойство проявляется при взаимодействии различных материалов в машинах и механизмах, а также в технологических процессах по обработке и разрушению материалов механическими способами. Показатель твёрдости на практике используется для правильного выбора материала при изготовлении деталей, режущих инструментов (резца, сверла, фрезы и т. д.) и устройств
(например, прессов, прокатных станов и т. д.).
Существующие методы измерения твёрдости в зависимости от скорости
приложения нагрузки подразделяют на статические и динамические, а по способу её приложения – на методы вдавливания и царапания.
Статическим методом измерения твёрдости материала называется такой,
при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый материал с определённой слой.
Динамический метод измерения твёрдости материалов основан на измерении высоты отскока бойка (индентора) после его удара об испытуемой материал.
Наибольшее распространение получили статические методы при вдавливании индентора перпендикулярно поверхности образца. Инденторы могут
иметь форму шарика, конуса, призмы, пирамиды, цилиндра и изготавливаются
из твёрдых материалов (закалённая сталь, твёрдый сплав, алмаз).
Наиболее широкое распространение (особенно для пластичных материалов – черных и цветных металлов, их сплавов, пластмасс, композитов) получило
определение твёрдости на приборах Бринелля, Роквелла и Виккерса.
Определение твёрдости на приборе Бринелля (твердомер типа ТШ (твердомер шариковый)). Этот метод основан на вдавливании в испытуемый образец
стального закалённого шарика диаметром 10,5 или 2,5 мм (в зависимости от толщины испытуемого образца) при действии нагрузки от 5 000 Н до 30 000 Н
(рис. 3.1, а). Число твёрдости по Бринеллю – НВ, характеризуется отношением
нагрузки, действующей на шарик, к поверхности отпечатка, где площадь отпечатка в последующем выражается через диаметр.
35
Рисунок 3.1 – Схемы определения твёрдости:
а – по Бринеллю; б – по Виккерсу
HB =
P
2P
=
,
2
F pD (1- d/ D2 )
где
(3.1)
Р ‒ нагрузка на индентор, Н;
F ‒ площадь поверхности отпечатка, мм2;
D ‒ диаметр шарика, мм;
d ‒ диаметр отпечатка, мм.
Значение НВ измеряют в кгс/мм2 (в этом случае размерность часто не указывается) или в СИ – в МПа (1 кгс/мм2  10 МПа).
Чем меньше диаметр отпечатка, тем больше твёрдость образца. Диаметр
шарика и нагрузку выбирают в зависимости от материала и толщины образца.
На практике с помощью специальной лупы измеряют не площадь поверхности
отпечатка (лунки), а его диаметр; по значению диаметра отпечатка по специальной таблице определяют число твёрдости. Этим методом определяют твёрдость
незакалённых поковок, отливок и деталей, изготовленных из стального проката
твёрдостью до НВ = 450 (4 500 МПа). При большей твёрдости шарик деформируется.
Определение твёрдости по Виккерсу (твердомер типа ТП (твердомер пирамидный)). Этот метод основан на вдавливании в испытуемый образец четырёхгранной алмазной пирамиды с углом при вершине, равным 136º. Отпечаток получается в виде квадрата (рис. 3.1, б), диагональ которого измеряют после снятия
нагрузки, а число твёрдости вычисляют по формуле:
P
HV = 1,854 2 ,
d
(3.2)
где
Р ‒ нагрузка на индентор, Н;
d ‒ диаметр отпечатка, мм.
36
Значение HV измеряют в Н/мм2. На практике число твёрдости определяют
по специальным таблицам по значению диагонали при выбранной нагрузке.
Метод Виккерса применяют главным образом для материалов, имеющих
высокую твёрдость, а также для испытания на твёрдость деталей малых сечений
или тонких поверхностных слоёв. Как правило, используют небольшие нагрузки:
P = 10…500 Н. Чем тоньше сечение детали или исследуемый слой, тем меньшую
нагрузку выбирают.
Определение твёрдости по Роквеллу. Этот метод измерения твёрдости
наиболее универсален и наименее трудоёмок. Здесь не нужно измерять размеры
отпечатка, так как число твёрдости отсчитывают непосредственно по шкале
твердомера (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 – Твердомер стационарный для определения твёрдости
по Роквеллу и различные типы инденторов к нему
Число твёрдости зависит от глубины вдавливания наконечника, в качестве
которого используют алмазный конус с углом при вершине, равным 120º, или
стальной шарик диаметром 1,588 мм, используемый для мягких материалов.
Нагрузку выбирают в зависимости от материала и наконечника Для различных
комбинаций нагрузок и наконечников прибор Роквелла имеет три измерительных шкалы: А, В, С. Твёрдость по Роквеллу обозначают цифрами, определяющими уровень твёрдости, и буквами HR с указанием шкалы твёрдости, например: 50 HRА, 50 HRВ, 50 HRС. Твёрдость по Роквеллу определяется в условных
единицах.
37
3.2. Определение твёрдости портативным ультразвуковым твердомером
МЕТ-У1
Портативный ультразвуковой твердомер МЕТ-У1 предназначен для измерения твёрдости металлов и сплавов по всем стандартизованным в России шкалам твёрдости – Роквелла (HRC), Бринелля (HB), Виккерса (HV) и Шора (HSD).
Кроме того, в твердомере имеются шкала предела прочности (Rm), позволяющая
определять предел прочности на растяжение изделий из углеродистых сталей
перлитного класса путём автоматического пересчёта со шкалы твёрдости Бринелля (НВ) и три дополнительные шкалы твёрдости, которые позволяют проводить измерение твёрдости по другим шкалам, а также проводить контроль твёрдости металлов, которые существенно отличаются по свойствам от стали (чугуна, алюминиевых, медных сплавов и т. д.).
Твердомер позволяет проводить измерение твёрдости поверхностного слоя
металла, подвергнутого наплавлению, напылению, механической, термической
и другим видам поверхностной обработки металла. Такой контроль твёрдости
недоступен для стационарных твердомеров, которые под действием больших
нагрузок «продавливают» поверхностный слой.
Твердомер позволяет проводить экспресс-анализ твёрдости изделия непосредственно на месте эксплуатации или производства изделия в цеховых, лабораторных и полевых условиях, например, в машиностроении, металлургии, энергетике, судостроении и железнодорожном транспорте, в авиакосмической и
нефтегазовой отрасли, ремонтно-монтажных и сервисных организациях и т. д.
Объектами измерений могут быть сосуды давления различного назначения
(реакторы, парогенераторы, коллекторы, котельные барабаны, газгольдеры и
др.), роторы турбин и генераторов, трубопроводы, прокатные валки, коленчатые
валы, шестерни, детали различных транспортных средств, промышленные полуфабрикаты (отливки, поковки, листы) и т. д.
Твердомер может быть применён для:
 оценки стабильности технологических процессов (обработка изделий,
сварка и т. д.);
 диагностики оборудования с целью оценки его остаточного безопасного
ресурса (контроль твёрдости трубопроводов, котлов и т. д.).
Устройство и принцип работы. Твердомер МЕТ-У1 представляет собой малогабаритный прибор, состоящий из электронного блока с подключённым к
нему датчиком на рисунке 3.3. Выбор между ультразвуковым и динамическим
датчиком осуществляется в зависимости от массы, конфигурации, структуры,
степени механической и термической обработки измеряемого изделия.
38
Рисунок 3.3 – Твердомер портативный комбинированный МЕТ-УД:
1 – датчик ультразвуковой У1; 2 – электронный блок; 3 – датчик динамический
Результат измерения не зависит от пространственного положения электронного блока и датчика даже в случае измерения на потолочной поверхности.
Датчик ультразвукового принципа действия (метод ультразвукового контакта) представляет собой отдельно выполненное устройство, связанное с электронным блоком при помощи кабеля рисунок 3.4.
Рисунок 3.4 – Датчик ультразвуковой У1:
1 – соединительный кабель; 2 – штекер разъёма датчика; 3 – корпус датчика;
4 – втулка; 5 – прижимное кольцо насадки; 6 – нижняя плоскость насадки;
7 – торец втулки
39
Датчик в основе своей использует стальной стержень с алмазной пирамидой Виккерса на конце (угол между гранями равен 136), который является акустическим резонатором (вибратором) встроенного автогенератора ультразвуковой частоты. При внедрении пирамиды в контролируемое изделие под действием
фиксированного усилия калиброванной пружины происходит изменение собственной частоты резонатора, определяемое твёрдостью материала. Относительное изменение частоты резонатора преобразуется электронным блоком в значение твёрдости выбранной шкалы и выводится на дисплей.
Данный метод подходит для измерений твёрдости на изделиях различной
массы и толщины особенно на готовых изделиях с глянцевой поверхностью, поскольку не оставляет видимых отпечатков после измерений.
Конструкция датчика ультразвукового позволяет проводить измерения в
труднодоступных местах (например, поверхность зубьев шестерён), а также на
тонкостенных конструкциях (например, трубопроводах), которые невозможно
измерить датчиком динамическим.
Следует учитывать, что результат измерения ультразвуковым методом зависит от модуля упругости (Е) контролируемого изделия.
Примечание: недопустимо измерение изделий с крупнозернистой структурой (например, чугуна), массой менее 10 г или толщиной менее 1 мм.
Электронный блок твердомера представляет собой отдельно выполненное
устройство в пластмассовом корпусе.
На лицевой стороне расположены:
 жидкокристаллический дисплей (ЖКД);
 четыре функциональные клавиши (, , , );
 метка с указанием типа твердомера.
На оборотной стороне расположены:
 пломба;
 серийный номер;
 схема работы твердомера;
 закрытый отсек для аккумуляторной батареи.
На верхнем торце расположены:
 гнездо четырёхштырькового разъёма для подключения зарядного
устройства или компьютера;
 гнездо пятиштырькового разъёма для подключения датчика.
На обратной стороне электронного блока представлена схема управления
работой твердомера рисунок 3.5.
40
Рисунок 3.5 – Схема управления работой твердомера МЕТ-У1
Для управления работой твердомера использовано меню, на каждом
уровне которого возможен выбор параметров или режимов работы:
 первый уровень «Шкала» позволяет выбрать текущую (рабочую) шкалу
твёрдости из следующего списка: HRC, HB, HV, Rm, H1, H2 или Н3;
 второй уровень «Измерение – Калибровка – Обработка» позволяет выбрать текущий (рабочий) режим твердомера: измерение, калибровка или обработка;
 третий уровень «Да/Нет» позволяет подтвердить или отменить выбранную операцию, а также последовательно вернуться к предыдущим операциям
нажатием клавиши .
Клавиши  и  позволяют выбрать уровень меню, а клавиши  и  выбрать параметр внутри уровня.
Технические характеристики портативного ультразвукового твердомера
МЕТ-У1 представлены в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 – Технические характеристики твердометра МЕТ-У1
Шкала
Роквелла
Бринелля
Виккерса
Шора
Дополнительные шкалы
Предел прочности
Диапазон измерений
20-67 HRC
75-650 HB
75-1000 HV
23-102 HSD
Погрешность, не более
± 1,5 HRC
± 10 HB
± 12 HV
± 2 HSD
378-1736 Rm
5%
41
При работе с твердомером всегда присутствует ряд внешних факторов,
влияющих на точность измерения:
 установка измерительного датчика;
 состояние измеряемой поверхности контролируемого изделия;
 гомогенность (однородность) материала контролируемого изделия;
 внешние воздействия (влажность, температура, загрязнения и т. д.).
Измеряемая поверхность и само контролируемое изделие должны соответствовать параметрам, указанным в технических характеристиках твердомера. В
противном случае нельзя гарантировать получение корректных результатов.
Наибольшей корректностью обладают результаты измерений, произведённых при следующих условиях:
 температура окружающей среды – 20 5 С;
 относительная влажность воздуха – 30...80 %;
 атмосферное давление – 84...106 кПа.
3.3. Порядок выполнения лабораторной работы
1. Получить образцы для измерения твёрдости у преподавателя.
2. Подготовка поверхности. Необходимо подготовить зону измеряемой поверхности изделия, сначала удалив с неё влагу, загрязнения (масло, пыль и т. д.),
смазку, окалину, окисную плёнку, ржавчину, а затем зачистив шлифовальной машинкой или шкуркой и протерев ветошью.
Шероховатость и радиус кривизны измеряемой поверхности, а также массогабаритные характеристики изделия должны соответствовать параметрам,
указанным в технических характеристиках твердомера.
3. Работа с электронным блоком Выбор шкалы.
Начать работу следует с первого уровня «Шкала», перейдя на него нажатием клавиши . В верхней части дисплея появится надпись «XXX шкала», а в
правой части дисплея – символ «Батарея».
Нужно выбрать шкалу твёрдости нажатием клавиши  или , затем подтвердить выбор нажатием клавиши . После этого происходит автоматический
переход на второй уровень.
Выбор режима. Необходимо выбрать режим «Измерение», «Калибровка»
или «Обработка» нажатием клавиши  или , а затем подтвердить выбор
нажатием клавиши .
4. Работа с датчиком. Необходимо подсоединить датчик к электронному
блоку, включить питание твердомера и перейти в режим «Измерение». В момент
42
проведения измерений изделие должно быть неподвижно, а датчик установлен
перпендикулярно в зоне измерения, мигание символа «Датчик» на дисплее
означает готовность твердомера к проведению измерения.
Затем нужно установить датчик нижней плоскостью к зоне измерения контролируемого изделия, и слегка нажать на корпус датчика до первого сопротивления – алмазная пирамида стержня упирается в поверхность. Затем сразу увеличить нагрузку до второго сопротивления (упора) – алмазная пирамида внедряется в поверхность. Нужно удерживать датчик в таком положении в течение 3...4
с – символ «Датчик» на дисплее перестанет мигать.
После звукового сигнала и появления значения твёрдости на дисплее электронного блока необходимо прекратить воздействие на корпус датчика. Символ
«Датчик» на дисплее вернётся в мигающий режим, а корпус датчика под действием пружины – в первоначальное положение.
Измерение закончено, твердомер готов к следующему измерению.
5. Результаты измерения твёрдости материалов необходимо внести в протокол испытаний (табл. 3.2).
Таблица 3.2 – Протокол испытаний при измерении твёрдости материалов
№ п/п
Наименование
материала
Твёрдость материала
По Бринеллю,
по Роквеллу,
по Виккерсу, НV
НВ
HRC
1
2
3
4
3.4. Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. Что такое твёрдость?
2. Какие требования предъявляются к качеству поверхности зон контроля
твёрдости?
3. В чем сущность измерения твёрдости материалов по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу?
4. Как обозначаются и записываются числа твёрдости материалов по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу?
5. Какова форма штампов (инденторов) при определении твёрдости материалов по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу и из каких материалов их изготавливают?
43
6. Каковы достоинства и недостатки методов измерения твёрдости материалов по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу?
7. Назначение твердомера портативного ультразвукового МЕТ-У1.
8. Устройство и принцип работы МЕТ-У1.
3.5. Практическое задание для магистрантов
1. Повторите (изучите) материал лабораторной работы.
2. Дайте оценку применимости метода твердометрии для проведения обследования оборудования, являющегося объектом исследования магистерской
диссертации.
3. Тезисно сформулируйте, какие Вы видите существенные ограничения
метода твердометрии динамическими и ультразвуковыми датчиками при проведении НК.
4. Какие характеристики материала оборудования, являющегося объектом
магистерской диссертации, можно определить при помощи твердометрии?
44
4. КАПИЛЛЯРНЫЙ МЕТОД
4.1. Теоретические основы метода
Капиллярные методы нашли широкое применение в неразрушающем контроле при контроле ответственных деталей во всех отраслях промышленности.
Для некоторых материалов и изделий этот метод является единственным способом определения пригодности деталей или установок к эксплуатации.
Капиллярный контроль позволяет диагностировать объекты любых размеров и форм, изготовленные из черных и цветных металлов и сплавов, пластмасс,
стекла, керамики, а также других твёрдых неферромагнитных материалов. Этот
вид контроля позволяет обнаружить дефекты, выходящие на поверхность: трещины, поры, раковины, непровары, межкристаллитную коррозию и другие несплошности.
Поверхностные дефекты обнаруживаются по ярко окрашенным или светящимся индикаторным следам, которые образуются на проявляющем покрытии
(проявителе) в местах расположения несплошностей.
Выявление дефектов, имеющих ширину раскрытия более 0,5 мм, капиллярными методами контроля не гарантируется. Минимальная ширина раскрытия
трещин, выявляемых при капиллярной дефектоскопии, порядка 1 мкм. Капиллярный контроль может проводиться при температуре от –40 до +40 °С и относительной влажности не более 90 %.
Капиллярные методы контроля подразделяют на основные, использующие
капиллярные явления, и комбинированные, основанные на сочетании двух или
более различных по физической сущности методов контроля, одним из которых
является капиллярный.
Основные капиллярные методы классифицируют в зависимости от проникающего вещества или способа получения первичной информации.
В зависимости от типа проникающего вещества различают два метода:
 проникающих растворов;
 фильтрующихся суспензий.
В зависимости от способа получения первичной информации различают
методы:
 яркостной (ахроматической) – «Я» (в котором индикации имеют более
тёмный тон по сравнению с белым проявителем);
 цветной (хроматической) – «Ц» (когда пенетрант обладает ярким оранжевым или красным цветом);
45
 люминесцентной – «Л» и люминесцентно-цветной – «ЛЦ» дефектоскопии (когда пенетрант светится под действием ультрафиолетового облучения).
Контроль изделий осуществляют с помощью дефектоскопических материалов, представляющих собой комплекты, компонентами каждого из которых являются индикаторный пенетрант (И), очищающая жидкость (М или О) и проявитель (П).
Индикаторная жидкость (пенетрант) – это окрашенная жидкость, предназначенная для заполнения полостей открытых поверхностных дефектов и последующего образования индикаторного рисунка. Жидкость представляет собой
раствор или суспензию красителя в смеси органических растворителей, керосина, масел с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ), снижающих
поверхностное натяжение воды, находящейся в полостях дефектов, и улучшающих проникновение пенетрантов в эти полости. Индикаторные пенетранты приготавливают при температуре не выше 60 °С.
В качестве основы пенетрантов широко применяют бензол, керосин, скипидар, ксилол и другие вещества, трудно смываемые водой. Оптимальными для
применения считают проникающие жидкости, имеющие коэффициент поверхностного натяжения  = 26...28 мН/м и динамическую вязкость ж = 1...2 мПас.
При цветной дефектоскопии применяют жирорастворимые тёмно-красные
красители (5С, Ж, родамин), а при люминесцентно-цветной – краситель родамин С.
Очищающая жидкость (очиститель) предназначена для удаления пенетрантов с поверхности изделий в процессе контроля. Чаще всего применяют воду
с добавками ПАВ, кальцинированной соды, а также органические растворители,
масло, керосиновые смеси и другие жидкости.
Проявитель позволяет, с одной стороны, извлекать пенетрант из полостей
дефектов и образовывать индикаторные рисунки, а с другой – создавать на поверхности изделия фон, облегчающий рассмотрение этих рисунков. Проявители
применяют в виде порошков, суспензий, красок или плёнок. Обычно в качестве
проявителей применяют такие порошки и их смеси, как оксид магния, силикагель, белая сажа, мел, каолин, тальк, маршаллит и др. Эти же порошки входят в
состав суспений на основе воды, ацетона, спирта, бензина и других жидкостей.
В цветной дефектоскопии получили широкое распространение оксид цинка и титановые белила, а для люминесцентного контроля – оксид магния. Проявляющие
краски и плёнки содержат тонкодисперсные вещества, поглощающие проникающую жидкость; такие проявители применяют для контроля изделий сложной
формы.
46
Дефектоскопические комплекты обычно выбирают, исходя из требуемой
чувствительности контроля, его производительности, условий проведения, стабильности качества дефектоскопических материалов, а также химической инертности в отношении объекта контроля. Обычно применяют нетоксичные или малотоксичные негорючие и коррозионно-безопасные материалы.
Высокочувствительные комплект (класc Ι) позволяют выявлять дефекты с
раскрытием до 1 мкм, комплекты средней чувствительности (класс ΙΙ) – с раскрытием от 1 до 10 мкм, пониженной чувствительности (класс ΙΙΙ) – с раскрытием от 10 до 100 мкм, ΙV класс – с раскрытием от 100 до 500 мкм, технологический класс – не нормируется (т. е. что обнаружено) (табл. 4.1).
Таблица 4.1 – Классы чувствительности
Класс чувствительности
I
II
III
IV
Наименование
высокочувствительный
средней чувствительности
пониженной чувствительности
низкой чувствительности
технологический
Раскрытие, мкм
до 1
от 1 до 10
от 10 до 100
от 100 до 500
не нумеруется
Дефектоскопические материалы укомплектовывают в наборы, которые
представляют собой взаимозависимое целевое сочетание дефектоскопических
материалов: индикаторного пенетранта, проявителя, очистителя, приведённые в
таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Наборы дефектоскопических материалов
Комплект
Назначение
Раствор
Индикаторная
жидкость И217
Ц-II-217.
П115. М204
Контроль точечных поверхностей
Очиститель
М204
Проявитель
П115
Ц-III-И227.
П115. М204
Контроль кованых (штампованых) поверхностей
Индикаторная
жидкость И227
47
Компоненты
Бензин
Скипидар А
Нориол А
Жирорастворимый
краситель Ж
Эмульгатор ОП-7
Вода
Этиловый спирт
Вода
Каолин
Керосин
Бензин
Скипидар А
Жирорастворимый
краситель Ж
Жирорастворимый
краситель 5С
Количество
300 мл
600 мл
100 мл
10 г/л
10 г/л
1л
500 мл
500 мл
350 г
200 мл
300 мл
500 мл
5 г/л
5 г/л
Комплект
Назначение
Раствор
Компоненты
Очиститель
М204
Ц-II-ДК-6
ДАК-6
Контроль стали,
цветных сплавов
на основе Аl
Эмульгатор ОП-7
Вода
Этиловый спирт
Проявитель
Вода
П115
Каолин
Бензин
Ксилол
Скипидар
Индикаторная
Жирорастворимый
жидкость И6
краситель Ж
Жирорастворимый
краситель 5С
Этиловый спирт
Проявитель П4
Каолин
Очиститель М2 Этиловый спирт
Количество
10 г/л
1л
500 мл
500 мл
350 г
470 мл
30 мл
500 мл
5г
5г
1000 мл
350 г
-
Запись набора материалов расшифровывается следующим образом: римская цифра обозначает класс чувствительности; первая цифра индекса у индикаторного пенетранта И – метод контроля (1 – люминесцентный, 2 – цветной); вторая и третья цифры – номер по порядку (при данном методе контроля); первая
цифра у индекса очистителя М и проявителя П обозначает применимость по
наиболее высокому классу чуствительности, вторая и третья цифры – номер по
порядку. Буква Н (после обозначения индикаторного пенетранта) указывает на
способ контроля набором данного состава в режиме накопления красителя.
Часто дефектоскопические материалы применяют в виде наборов аэрозолей (Magnaflux, Namicon и т. п.) – тонких распределений мельчайших частиц
твёрдого или жидкого вещества в газе (рис. 4.1).
Рисунок 4.1 – Набор аэрозолей Magnaflux
48
Дефектоскопические материалы в виде аэрозолей длительное время сохраняют свои свойства и всегда готовы к применению. Кроме того, при использовании исключаются их потери, так как они не высыхают и не проливаются. В аэрозольный дефектоскопический комплект обычно входят баллоны с пенетрантом,
очищающей жидкостью и проявителем. Аэрозольные комплекты применяют при
контроле различных изделий.
Дефектоскопические материалы следует проверять на контрольных образцах при проведении контроля. Оценку качества дефектоскопических материалов
производят в связи с тем, что с течением времени их физико-химические и технологические свойства могут измениться. К параметрам качества дефектоскопических материалов, подлежащих контролю, относятся:
 вязкость;
 температура воспламенения;
 характеристика взрывоопасности;
 коррозионное воздействие;
 светостойкость и стойкость к УФ-излучению;
 стойкость при хранении;
 время сушки;
 санитарно-гигиенические свойства;
 выявляемость дефектов.
4.2. Технологический процесс капиллярной дефектоскопии
Схема технологического процесса капиллярной дефектоскопии предусматривает выполнение следующих операций:
 подготовка изделия к контролю (очистка поверхности изделия и полости
дефекта от загрязнений, жира и т. д. путём их механического удаления и растворения);
 нанесение пенетранта (пропитка дефектов индикаторной жидкостью);
 очистка поверхности изделия от излишков пенетранта (удаление с поверхности изделия излишков пенетранта, при этом пенетрант в полости дефектов
сохраняется);
 нанесение проявителя;
 осмотр изделия и анализ индикаторных следов выявленных дефектов;
 удаление (в случае необходимости) остатков дефектоскопических материалов.
49
4.3. Области применения капиллярной дефектоскопии
Капиллярная дефектоскопия  очень простой способ, имеющий высокую
чувствительность к поверхностным дефектам. Достоинства методов:
 высокие чувствительность и разрешающая способность;
 относительно высокая достоверность контроля и наглядность его результатов;
 возможность контроля деталей разной степени сложности, а также широких зон деталей в один приём;
 большая номенклатура материалов проверяемых деталей (аустенитные
стали, никелевые, титановые, магниевые, алюминиевые и другие металлические
сплавы, керамика, стекло, бетон и т. д.);
 универсальность основных технологических операций при контроле
объектов из различных материалов;
 возможность точно устанавливать место, направление, протяжённость и
иногда характер дефекта;
 простота технологических операций контроля;
 возможность быстрой подготовки кадров контролеров;
 низкая стоимость используемых материалов.
Таким образом, методы капиллярной дефектоскопии сочетают в себе ценные для производственного и эксплуатационного контроля качества, а именно –
наглядность результатов с большой универсальностью технологических операций при проверке поверхности деталей любой сложности из различных материалов.
Недостатки метода:
 высокая трудоёмкость контроля при отсутствии механизации;
 возможность обнаружения только поверхностных дефектов;
 большая длительность процесса (до 0,5...1,5 ч);
 снижение достоверности контроля при отрицательных температурах;
 необходимость удаления лакокрасочных покрытий и тщательной предварительной очистки контролируемых деталей;
 низкая вероятность обнаружения дефектов, перекрытых окисными
плёнками, тонким слоем деформированного материала (после механической обработки) или сжатых значительными остаточными или рабочими напряжениями
в детали;
 сложность механизации и автоматизации контроля;
50
 громоздкость стационарного оборудования;
 вредность некоторых дефектоскопических материалов для персонала и
необходимость использования защитных приспособлений и вентиляции;
 субъективность контроля, зависимость достоверности результатов от
квалификации контролёра;
 ограниченный срок хранения дефектоскопических материалов, зависимость их свойств от продолжительности хранения и температуры среды.
Методы позволяют обнаруживать различные открытые поверхностные дефекты производственно-технологического и эксплуатационного характера: трещины (шлифовочные, термические, усталостные), растрескивание, пористость,
закаты, волосовины, различные виды коррозии и т.п. на деталях простой и сложной формы, изготовленных из черных и цветных металлов и сплавов, пластмасс
и других материалов.
Высокая чувствительность этих методов даёт возможность находить трещины с шириной раскрытия у выхода на поверхность более 0,001, глубиной –
более 0,01 и длиной – более 0,1 мм.
Благодаря высокой чувствительности, простоте контроля и наглядности
результатов капиллярные методы применяются не только для первичного обнаружения, но и для подтверждения поверхностных дефектов, выявленных вихретоковым, ультразвуковым и другими методами НК.
4.4. Порядок выполнения лабораторной работы
4.4.1. Оборудование и материалы
Для проведения лабораторной работы требуется наборы для цветной и люминисцентно-цветной дефектоскопии, ультрафиолетовая лампа, ветошь и образец с трещиноподобным дефектом дефектом в виде поверхностной поры.
4.4.2. Последовательность выполнения
Изучить состав комплектов для капиллярной дефектоскопии.
Найти очиститель, пенетрант, проявитель.
Рассмотреть образец, который будет подвергнут проверке.
С помощью ветоши и очистителя очистить поверхность образца.
Высушить образец после очистки в течение 5...10 минут.
51
Расположить образец на лабораторном столе так, чтобы при нанесении химических реактивов не испачкать себя, соседей и помещение.
Нанести пенетрант. Слой пенетранта должен полностью закрыть исследуемый участок поверхности. После нанесения подождать 5 минут.
С помощью ветоши очистить поверхность от пенетранта. Допускается смачивать ветошь очистителем. Необходимо добиться, чтобы на поверхности не
было замечено следов пенетранта.
Насухо вытереть поверхность. Подождать 10 минут.
С помощью аэрозольного баллончика нанести тонкий слой проявителя.
Толщина слоя определяется по следующим признакам: должна быть покрыта вся
исследуемая поверхность; при застывании слой проявителя меняет свой цвет с
прозрачного на белый матовый – вся исследуемая поверхность должна быть белой матовой.
Через 2-3 минуты рассмотреть поверхность. Обнаружить зоны, где возникли изменения цвета проявителя с белого на красный (для цветной дефектоскопии). Для люминисцентно-цветной дефектоскопии выключить внешнее освещение в комнате и осветить область контроля УФ-лампой. Обнаружить следы
дефектов. Идентифицировать их.
Повторить предыдущий пункт через 10 минут. Обнаружить новые следы.
Дать ответ на вопрос – какие дефекты и почему проявились сразу, а какие – через
несколько минут?
Заполнить соответствующие Акты (прил. 2).
Очистить образцы с помощью ветоши и очистителя.
4.5. Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. Какой метод обнаруживает более мелкие трещины – ВИК или капиллярный? Какие минимальные размеры обнаружения трещин каждым методом?
2. Какой метод позволит обнаружить крупную поверхностную пору ВИК
или капиллярный? Какие максимальные размеры обнаружения пор каждым методом?
3. Перечислите основные методы капиллярной дефектоскопии.
4. Назовите известные вам составы дефектоскопических материалов и их
назначение.
6. Можно ли курить при проведении капиллярной дефектоскопии?
7. Что такое «контрольный образец»?
8. Расскажите алгоритм проведения капиллярной дефектоскопии.
52
4.6. Практическое задание для магистрантов
1. Повторите (изучите) материал лабораторной работы.
2. Дайте оценку применимости капиллярного метода для проведения обследования оборудования, являющегося объектом исследования магистерской
диссертации.
3. Тезисно сформулируйте, какие Вы видите существенные ограничения
капиллярного метода при проведении НК.
4. Расскажите алгоритм контроля капиллярным методом при обследовании
оборудования, являющегося объектом исследования магистерской диссертации.
5. Какие характерные дефекты и в каких конкретно зонах потенциально
могут быть выявлены капиллярной дефектоскопией применительно к оборудованию, являющемуся объектом исследования магистерской диссертации?
53
5. МАГНИТОПОРОШКОВЫЙ МЕТОД
5.1. Теоретические основы магнитопорошкового контроля
Магнитные методы контроля основаны на регистрации магнитных полей
рассеяния, возникающих над дефектами, но только у материалов, способных
намагничиваться.
Носители магнетизма в металле – элементарные электрические точки в
атомах, создаваемые вращением электронов вокруг ядра (рис. 5.1, а) прецессионным движением электронных орбит (рис. 5.1, б) и вращением электронов вокруг своей оси – спином электрона (рис. 5.1, в). Последний вносит основной
вклад в образование магнетизма. Элементарные точки в каждом атоме формируют атомные магнитные моменты, которые взаимодействуют между собой, образуя магнитное поле детали в целом, однако большинство веществ не проявляют магнитных свойств, так как магнитные моменты их атомов направлены
произвольно и взаимно компенсируют друг друга, т. е. размагничивают.
Рисунок 5.1 – Схемы движения электронов и прецессионные движения
электронных орбит:
1 – ядро; 2 – движение электрона вокруг ядра;
3 – траектории прецессионного движения электронной орбиты;
4 – плоскость электронной орбиты; 5 – направление вращения электрона;
Н – индукция магнитного поля
Существуют материалы с высокой способностью к намагничиванию – ферромагнетики. В природе их насчитывается немного. Главный среди них – железо.
На его основе с добавками хрома, никеля, кобальта, вольфрама и алюминия созданы все ферромагнитные сплавы. У них особая структура, даже если нет внешнего магнитного поля, моменты миллионов соседних атомов самопроизвольно
выстраиваются параллельно друг другу, образуя микроскопические области –
так называемые домены – идеальные «магниты в миниатюре». Это крошечные в
54
обычном представлении, но огромные, по сравнению с размерами атомов, области. Число атомов в них составляет порядка 1015, а размеры в поперечном сечении – около 10 мкм. Все магнитные моменты атомов внутри домена ориентированы одинаково, т. е. эта область намагничена до насыщения и представляет собой относительно сильный постоянный магнит. Она (область) характеризуется
магнитным моментом домена. Если нет внешнего магнитного поля, то магнитные моменты доменов направлены беспорядочно и взаимно компенсируют друг
друга. Поэтому ферромагнетик не имеет результативного магнитного момента,
т. е. его намагниченность равна нулю.
При включении внешнего магнитного поля число и размер областей,
намагниченности которых параллельны полю, растут за счёт областей, намагниченных в противоположном направлении, и тело в целом намагничивается. Если
после этого внешнее поле выключить, то однажды возникшая упорядоченность
направлений намагничивания отдельных областей частично сохраняется (остаточная намагниченность) до тех пор, пока её не нивелируют новые факторы: повышение температуры; магнитное поле обратного направления, превышающее
определённый минимум (коэрцитивная сила); удар и другие воздействия.
Если взять какое-либо изделие – ферромагнетик с однородными магнитными свойствами и магнитной проницаемостью μ1 и поместить его в продольное
магнитное поле Но (рис. 5.2), то ферромагнетик намагнитится и приобретёт магнитную индукцию Во, линии которой практически не выходят из детали. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость μ2 внешней среды значительно
меньше магнитной проницаемости μ1 ферромагнетика. Если же деталь имеет дефект в виде поверхностной или подповерхностной трещины, проходящей перпендикулярно направлению поля Во, то происходит перераспределение магнитного потока в зоне расположения трещины: одна часть магнитного потока проходит через трещину, другая – через воздушные пути над дефектом и третья
часть будет проходить под трещиной по металлу детали (рис. 5.3).
Рисунок 5.2 – Ферромагнетик во внешнем магнитном поле
55
Рисунок 5.3 – Перераспределение магнитного потока в зоне расположения
трещины
По этой причине в зоне трещин появляются положительные и отрицательные «магнитные заряды», расположенные как на поверхности, так и внутри детали. Это явление называется магнитной поляризацией металла в зоне дефекта.
Каждый «магнитный заряд» создаёт магнитное поле, направленное из него как
из центра. Суммарное поле «магнитных зарядов» образует поле дефекта Hg,
направленное в ту же сторону, что и внешнее намагничивающее поле Hо, тем
самым обеспечивая местную его концентрацию. Суммарное поле Hо называют
магнитным полем дефекта, или магнитным полем рассеяния. Формированию
этого поля способствует также то, что трещины в месте выхода на поверхность
имеют заострённые края, расстояния между которыми могут составлять десятки
и сотни микрон, которые играют роль концентраторов поля зарядов магнитной
поляризации. Формирование магнитного поля рассеяния над дефектом свидетельствует о том, что деталь дефектна.
Необходимое условие применения магнитного метода контроля – это
намагничивание деталей. Направление намагничивания должно быть перпендикулярно ориентации дефекта. Это обеспечивает максимальное магнитное поле
рассеяния дефекта. Используют для этого продольный (полюсный), циркулярный и комбинированный способы намагничивания. Продольное намагничивание
осуществляется с помощью электромагнита или соленоида (рис. 5.4).
Рисунок 5.4 – Полюсное намагничивание деталей электромагнитом:
1 – деталь; 2 – ярмо; 3 – намагничивающая катушка
56
На ярме (2) находится намагничивающая катушка (3), соединённая с источником постоянного тока или переменного тока. При таком намагничивании
замкнутые силовые линии пересекают поверхность контролируемой детали в
зоне входа и выхода из неё, где образуются магнитные полюсы: северный N и
южный S. Поэтому намагничивание электромагнитом называется полюсным.
Полюсы на поверхности проверяемой детали – это области с ярко выраженной
неоднородностью поля, не связанного с какими-либо дефектами.
Образование на поверхности полюсов является нежелательным с точки
зрения в этой зоне дефектов. На участке детали находящиеся между полюсами
ярма электромагнита, деталь (1) намагничивается равномерно по всей длине
участка в продольном направлении. В этом поле наибольшая поляризация стенок
возникает у поперечных дефектов, расположенных перпендикулярно к линиям
продольного магнитного поля.
Для обнаружения трещин, вытянутых по длине детали (продольных), она
должна быть намагничена в поперечном направлении. Форма электромагнита и
его размеры устанавливаются в зависимости от требований. Если требуется
намагничивать целиком громоздкую деталь, то для этого необходим большой
электромагнит стационарного типа, но для проверки некоторых деталей можно
использовать переносной электромагнит. Рассмотрим намагничивание детали
соленоидом (рис. 5.5).
Рисунок 5.5 – Полюсное намагничивание:
1 – намагничивающая катушка; 2 – деталь
В данном случае магнитные полюса образуются там, где замкнутые линии
магнитного поля входят в деталь (2) или выходят из неё. В пределах длины соленоида и на некоторых расстояниях по обе стороны от его краёв деталь намагничивается продольно. По мере удаления от соленоида продольная намагничиваемость детали постепенно уменьшается и снижается возможность обнаружения
дефектов. Длинные детали в поле соленоида контролируют по участкам, каждый
из которых имеет протяжённость, не превышающую допустимую зону проверки
57
(длина соленоида и плюс небольшие участки с двух сторон от него). Обмотка
соленоида может состоять из большого количества витков и намагничивать деталь малыми токами (5...10 А) или всего из нескольких витков медной шины, ток
в которых достигает 800...1000 А циркулярного намагничивания. Циркулярное
намагничивание осуществляется путём пропускания постоянного или переменного тока через контролируемую деталь (рис. 5.6).
Рисунок 5.6 – Циркулярное намагничивание
При этом внутри детали и вокруг неё образуется магнитное поле, деталь
намагничивается циркулярным потоком магнитных силовых линий, расположенных в плоскости, перпендикулярной направлению тока, и имеющих вид замкнутых контуров. Для контролируемой детали циркулярное магнитное поле является поперечным. Поэтому в нем сильнее всего поляризуются стенки трещин.
Способ циркулярного намагничивания пригоден для контроля не только
деталей сплошного сечения, но и для полых деталей. По оси контролируемой
детали располагают проводник электрического тока и пропускают через него переменный или постоянный ток (рис. 5.7).
Рисунок 5.7 – Циркулярное намагничивание полой детали
Вокруг стержня с током образуется циркулярное магнитное поле, замкнутые линии которого представляют собой окружности. Этим полем контролируют
деталь с дефектами (трещинами) продольными. Комбинированное намагничивание достигается в результате одновременного продольного циркулярного намагничивания и использования для него токов одного или токов разного вида с соответствующими моментами включения или с изменением их значений и
58
направления. В этом случае возникает результирующее поле, величина и направление которого зависят от параметров каждого из указанных полей. Намагничивание одновременно двумя полями позволяет выявить трещины, направленные
под разными углами к оси проверяемой детали. Каждый из способов намагничивания является эффективным тогда, когда обеспечивается достаточное намагничивание детали и создаётся наивыгоднейшее направление линий магнитного
поля по отношению к ориентации трещин.
5.2. Магнитопорошковый метод
Магнитопорошковая дефектоскопия основана на выявлении локальных
магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектом, с помощью ферромагнитных частиц, играющих роль индикатора.
Магнитное поле рассеяния возникает над дефектом вследствие того, что в
намагниченной детали магнитные силовые линии, встречая на своём пути дефект, огибают его как препятствие с малой магнитной проницаемостью, в результате чего магнитное поле искажается, отдельные магнитные силовые линии
вытесняются дефектом на поверхность, выходят из детали и входят в неё обратно. При этом по обе стороны от трещин, то есть по краям дефекта, возникают
местные магнитные полюсы N и S, создающие локальное магнитное поле рассеяния (рис. 5.8).
Рисунок 5.8 – Магнитное поле рассеяния над дефектом:
а – поверхностным; б – подповерхностным; в – внутренним
Магнитное поле рассеяния в зоне дефекта тем больше, чем больше дефект
и чем ближе он к поверхности детали. Наилучшее выявление дефекта будет в
том случае, когда магнитные силовые линии в намагниченной детали располагаются под прямым (или близком к нему) углом к направлению дефекта (рис. 5.9).
59
Рисунок 5.9 – Направление силовых линий магнитного поля в случае разных
взаимных ориентаций дефекта и магнитного поля
Для обнаружения магнитного поля рассеяния на контролируемые участки
детали наносят магнитный порошок. Нанесение магнитного порошка на контролируемую поверхность детали осуществляют двумя способами, реализующими
«сухой» или «мокрый» метод. В первом случае для обнаружения дефектов используют сухой ферромагнитный порошок. При использовании «мокрого» метода контроль осуществляется с помощью магнитной суспензии, т. е. взвеси ферромагнитных частиц в жидких средах ‒ трансформаторном масле, смеси трансформаторного масла с керосином, смеси обыкновенной воды с антикоррозионными веществами.
Порошок магнитный чёрный представляет собой мелко измельчённую закись-окись железа (Fe3O4), получается фильтрацией шламовой жидкости с последующей сушкой при температуре 400...500 ℃ и размолом. Размер основной
массы частиц – не более 30 мкм.
Магнитное поле рассеяния выявляется благодаря тому, что на ферромагнитные частицы порошка действуют пондеромоторные силы этого поля, которые стремятся затянуть эти частицы в места наибольшей концентрации магнитных силовых линий. В результате ферромагнитные частицы собираются над дефектом, образуя рисунок в виде полосок или цепочек. Ширина полосок из скопившихся частичек обычно значительно больше ширины дефекта, поэтому этим
методом контроля могут быть выявлены даже мельчайшие трещины, надрывы,
волосовины и другие мелкие дефекты.
Магнитопорошковому контролю могут быть подвергнуты детали, выполненные из ферромагнитных материалов с относительной магнитной проницаемостью и не менее 40.
Чувствительность магнитопорошкового метода зависит:
‒ от магнитных характеристик материала детали;
‒ напряженности намагничивающего поля;
‒ размера, формы и шероховатости поверхности детали;
‒ размера, формы, местоположения и ориентации дефекта;
‒ взаимного направления намагничивающего поля и дефекта;
60
‒ свойств дефектоскопического материала;
‒ способа нанесения дефектоскопического материала на поверхность детали;
‒ способа и условий регистрации индикаторного рисунка выявляемого дефекта.
Этим методом обнаруживаются дефекты:
‒ поверхностные с шириной раскрытия у поверхности 0,002 мм и более,
глубиной 0,01 мм и более;
‒ подповерхностные, лежащие на глубине до 2 мм;
‒ внутренние (больших размеров), лежащие на глубине более 2 мм;
‒ под различного рода покрытиями, но при условии, что толщина немагнитного покрытия не более 0,25 мм.
Чувствительность магнитопорошкового метода контроля в значительной
мере зависит от шероховатости поверхности контролируемой детали. Максимальная чувствительность метода может быть получена при контроле детали с
шероховатостью, соответствующей параметру Rа = 1,25…2,5 мкм. С увеличением шероховатости чувствительность метода снижается.
В случае контроля деталей, имеющих большую шероховатость или склонных к образованию дефектов, глубоко залегающих под поверхностью, применяют крупный порошок, который наносят на поверхность «сухим» способом.
Чувствительность магнитопорошкового метода зависит
также от подвижности частиц порошка. Для обеспечения высокой
подвижности частиц необходимо
применять порошки с частицами
неправильной
формы.
Они
должны обладать малой коэрцитивной силой и низкой остаточной намагниченностью для исключения их «прилипания» к контролируемой поверхности. ПоРисунок 5.10 – Создание постоянного
движность частиц магнитного пои переменного намагничивающего тока
рошка повышают путём их покрытия пигментом с низким коэффициентом зрения. На чувствительность метода
оказывает влияние и род намагничивающего тока при обнаружении подповерхностных дефектов (рис. 5.10).
61
Предпочтение в этом случае отдаётся постоянному току, так как он создаёт
магнитное поле, глубоко проникающее внутрь детали (рис. 5.11).
Следует также иметь в виду, что
при обнаружении подповерхностных
дефектов более высокая чувствительность может быть достигнута путём
применения «сухого» способа, по
сравнению с «мокрым». Причём для
повышения чувствительности «сухого» способа ферромагнитный порошок предварительно распыляют в специальном устройстве, а затем подают
по шлангу непосредственно на конРисунок 5.11 – Зависимость
выявляемости внутренних дефектов тролируемую деталь или в закрытую
камеру, в которой установлена деот глубины их залегания, способа
таль. Способ нанесения ферромагнитнанесения магнитного порошка,
величины и рода намагничивающего ного порошка на поверхность детали
может быть реализован и с помощью
тока:
1 – «мокрый» способ на переменном токе;
специального бункера, в котором маг2 – «сухой» способ на переменном токе;
нитный порошок находится во взве3 – «мокрый» способ на постоянном токе;
шенном состоянии. При этом намаг4 – «сухой» способ на постоянном токе
ниченную деталь погружают в рыхлый порошок, а затем медленно извлекают из него для расшифровки образовавшегося индикаторного рисунка.
Такой способ нанесения магнитного порошка рекомендуется применять и для контроля деталей, имеющих
слой немагнитного покрытия, причём
чувствительность метода в этом случае
зависит от толщины немагнитного покрытия (рис. 5.12).
Более высокая чувствительность
Рисунок 5.12 – Зависимость
магнитопорошкового метода контроля
выявляемости дефектов, имеющих
с применением сухого порошка по
вид трещин, от их глубины и толсравнению с применением магнитной
щины слоя немагнитного покрытия;
суспензии объясняется:
заштрихованная область определяет
зону неуверенного контроля
62
‒ высокой подвижностью ферромагнитных частиц, взвешенных в воздухе,
из-за незначительных сил трения, действующих на частицы в этой среде (для перемещения частиц в воздухе требуется гораздо меньшая сила, чем для их перемещения в вязкой среде магнитной суспензии);
‒ отсутствием гидродинамического воздействия струи суспензии при ее
нанесении на деталь или поверхностного натяжения жидкости при извлечении
детали из бака с суспензией;
‒ формированием из ферромагнитных частиц тонких цепочек, которые более чувствительны к магнитным полям рассеяния, чем отдельные частицы.
Контрастность между цветом порошка и контролируемой поверхности помогает оператору выявить индикаторные следы дефектов. Если контролируемая
поверхность детали светлая (после станочной обработки), то применяется
обычно чёрный порошок. При контроле детали с чёрной поверхностью, например, покрытой окалиной, необходимо применять цветные порошки. Желательно,
чтобы цвет порошка был естественный, так как дополнительное окрашивание
приводит к снижению чувствительности контроля. Цвет магнитного порошка
должен максимально отличаться от цвета поверхности контролируемой детали.
Перед проведением контроля деталей магнитопорошковым методом необходимо выбрать в каждом конкретном случае:
‒ способ контроля (в приложенном поле или на остаточном намагничивании);
‒ вид и способ намагничивания (продольное, циркулярное или комбинированное);
‒ род намагничивающего тока;
‒ величину напряжённости намагничивающего поля;
‒ тип порошка и способ его нанесения на контролируемую поверхность
детали.
5.3. Порядок выполнения лабораторной работы
5.3.1. Оборудование и материалы
Для проведения лабораторной работы требуется намагничивающее
устройство МД-7 («магнитный дефектоскоп»), баллон с белой краской, суспензия ферромагнитного порошка, сухой ферромагнитный порошок и образец с трещиноподобным дефектом.
63
5.3.2. Порядок выполнения лабораторной работы
1. На поверхность образца нанести тонкий слой белой краски из баллона.
Краска необходима для создания контраста между порошком и поверхностью
изделия.
2. После высыхания краски установить намагничивающее устройство (постоянный магнит).
3. На область поверхности исследуемого изделия, расположенную между
полюсами магнита, нанести сухой ферромагнитный порошок.
4. Понять особенности распределения крупинок порошка после его нанесения.
5. Удалить тряпкой порошок с поверхности и нанести суспензию. Понять
различия в подвижности и, как следствие, в распределении крупинок сухого порошка и порошка в виде суспензии. Сделать выводы.
6. Обнаружить и сфотографировать (зарисовать) дефектные области.
7. Заполнить акт по форме (прил. 2).
5.4. Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. На чём основан принцип действия магнитных методов НК?
2. Перечислите способы намагничивания объекта контроля.
3. В чём разница «сухого» и «мокрого» способа нанесения порошка и какой
лучше?
4. Что называют «магнитной суспензией»?
5. Какие методы входят в магнитный вид НК?
6. Что показывает индикаторный рисунок?
7. На чём основан процесс размагничивания?
5.5. Практическое задание для магистрантов
1. Повторите (изучите) материал лабораторной работы.
2. Дайте оценку применимости магнитопорошкового метода для проведения обследования оборудования, являющегося объектом исследования магистерской диссертации.
3. Тезисно сформулируйте, какие Вы видите существенные ограничения
магнитопорошкового метода при проведении НК.
64
4. Расскажите алгоритм контроля магнитопорошковым методом при обследовании оборудования, являющегося объектом исследования магистерской диссертации.
5. Какие характерные дефекты и в каких конкретно зонах потенциально
могут быть выявлены магнитопорошковой дефектоскопией применительно к
оборудованию, являющемуся объектом исследования магистерской диссертации?
65
6. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ
6.1. Теоретические основы метода
Ультразвуковые методы используют упругие волны ультразвукового диапазона (с частотой колебаний выше 20 кГц). Эти волны возбуждаются и принимаются, как правило, пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП), а для перехода в материал объекта контроля используется жидкостный контакт.
Излучение ультразвука производится с помощью ПЭП, который преобразует электрические колебания в акустические путём обратного пьезоэлектрического эффекта (рисунок 6.1). Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи, использующиеся при ручном контроле: прямой B1S-O, миниатюрный
наклонный MWB 70-4, наклонный WK45-2.
Рисунок 6.1 – Иллюстрация принципа действия ультразвукового метода:
Ep – полный двойной путь ультразвуковой волны (толщина объекта);
D – двойной путь ультразвуковой волны до дефекта
Также используются электромагнитно-акустический (ЭМА) метод, основанный на приложении сильных переменных магнитных полей к металлу. КПД
этого метода гораздо ниже, чем у пьезоэлектрического, но зато может работать
через воздушный зазор и не предъявляет особых требований к качеству поверхности.
Эхо-импульсный метод контроля сварного соединения без дефекта (рис.
6.2, а) и с дефектом (рис. 6.2, б). В правой части изображения представлен
экран дефектоскопа с изображённым на нём зондирующим импульсом (сверху)
и импульсом от дефекта (снизу).
66
а)
б)
Рисунок 6.2 – Иллюстрация принципа действия эхо-импульсного
ультразвукового метода при контроля сварного соединения:
а – схема и результат контроля сварного соединения без дефекта;
б – схема и результат контроля сварного соединения с дефектом
Эхо-метод или эхо-импульсный метод – наиболее распространённый: преобразователь генерирует колебания (то есть выступает в роли генератора) и он
же принимает отражённые от дефектов эхо-сигналы (приёмник).
6.2. Дефектоскоп ультразвуковой
6.2.1. Назначение, описание и комплектность прибора
Изучение метода ультразвуковой дефектоскопии на примере прибора
УД9812 (рис. 6.3). Прибор представляет собой ручной ультразвуковой дефектоскоп общего назначения. Прибор предназначен для неразрушающего контроля
продукции на наличие дефектов типа нарушения сплошности и однородности
материала в изделиях из металла и пластмасс.
Дефектоскоп УД9812 обеспечивает проведение неразрушающего
контроля отливок, поковок, полуфабрикатов, готовых изделий, сварных соединений и т. д. в диапазоне
размеров от 2 мм до 6 м.
Прибор производит измерение времени задержки ультразвуковых сигналов, координат дефектов, условных размеров дефектов и отношения
Рисунок 6.3 – Дефектоскоп
амплитуд сигналов от них. Электриультразвуковой УД9812 «Уралец»
ческий тракт прибора (генератор
67
зондирующих импульсов и приёмник) поддерживают работу с любыми согласованными ультразвуковыми пъезопреобразователями с частотой от 0,6 до 12 МГц.
Дефектоскоп снабжён калиброванным аттенюатором и прецизионным измерителем задержки сигналов.
В комплект прибора УД9812 могут входить любые типы согласованных
ультразвуковых преобразователей с рабочими частотами от 0,4 до 12 МГц.
6.2.2. Подготовка к работе
1. Определяем задержку ультразвуковых импульсов в призме ПЭП путём
сравнения фактических показаний с паспортной задержкой в СО-2 (глубиномер,
табличный). Разница показаний и есть задержка, которую нужно ввести в
настройках глубиномера.
2. Выставляем строб-импульс АСД1. Его следует сдвинуть влево и сделать
почти на всю ширину экрана. Для этого требуется регулировать браковочный
уровень, чтобы сдвинуть строб-импульс.
3. Переключаем шкалу Х на миллиметры. Далее следует отрегулировать
сдвиг шкалы до требуемого диапазона измерения, чтобы сигналы отображались
на экране.
3. Проверяем настройке на настроечном образце-ступеньке. Затем идентифицируем искусственный дефект (зарубку).
Включение прибора выполняется непосредственно при помощи кнопки
«ВКЛ/ВЫКЛ».
В информационной системе дефектоскопа УД9812 сохраняются данные о
настройках прибора, о результатах контроля для составления отчёта посредством персонального компьютера с установленным программным обеспечением.
1. Данные.
Информация сохраняется о дате контроля, типе и номере преобразователя,
месте контроля, номере изделия, положении ПЭП на изделии, об ультразвуковых
сигналах и условиях настроек (рисунок 6.4). Для этого есть настроенные часы с
будильником, однопроводный интерфейс для считывания данных с преобразователя, диктофон, память на тысячу файлов. Вся информация сохраняется при
сохранении данных контроля. Так же прибор имеет память настроек и при сохранении настроек запоминается весь контекст. Программное обеспечение в котором есть генератор отчётов, весь комплекс информационной системы позволяет идентифицировать когда, кто, как, чем и что контролировал.
68
Рисунок 6.4 – Сохранённые данные
2. Ультразвуковой контроль.
Экран (рис. 6.5) размечен в децибелах, сигнализатор дефектов привязан к
усилению, это нужно для подтверждения наличия дефектов при прозвучивании
с другого ракурса, например, слева или справа от сварного шва или при контроле
паковки прозвучивания сверху о подтверждении сбоку. Настройки при этом не
сбиваются. Разметка экрана в миллиметрах либо в микросекундах, усиление в
децибелах, можно настроить ширину и сдвиг экрана.
Рисунок 6.5 – Экран
Селектор (рис. 6.6). Регулировка маркера захвата и усиления.
Рисунок 6.6 – Селектор
69
Функции (рис. 6.7): Запомнить (для остановки тех или иных изображений
на экране). Пробег (линия изображения верхней точки отображения на экране).
Рисунок 6.7 – Функции Запомнить и Пробег
Стоп (заморозка экрана). Может работать одновременно с селектором и
функциями (рис. 6.8).
Рисунок 6.8 – Стоп
Выключаем дефектоскоп, а затем включаем его. Нажимаем НАСТРОЙКА,
считываем параметры ПЭП на приборе и нажимаем ВВОД. Электроакустический тракт настроен.
3. Настройка.
Экран (рис. 6.9), разметка в миллиметрах либо в микросекундах, усиление
в децибелах, можно настроить ширину и сдвиг экрана.
70
Рисунок 6.9 – Функция настройки Экран
Селектор (рис. 6.10). С его помощью измеряют параметры эхосигналов,
амплитуду координаты, время задержки.
Рисунок 6.10 – Селектор
Глубиномер (рис. 6.11). Для настройки системы координат. Существуют
два стиля (Табличный – традиционный; Авторасчёт ‒ определения задержек двух
эхосигналов с известными координатами). Настройку можно вести по зарубкам,
притёртым ПЭП в трубных образцах, образцах из различных сплавов. Этот метод
не требует знаний скорости звука в материале, угла ввода, времени задержки в
призме.
71
Рисунок 6.11 – Глубиномер
АСД1 и АСД2 (автоматические сигнализаторы дефектов) устанавливают
диапазон ожидаемых эхосигналов (рис. 6.12). Второй используется в некоторых
видах контроля (например, при контроле баббитов).
Рисунок 6.12 – АСД1 и АСД2
ВРЧ (временная регулировка чувствительности) представлена на рисунке
6.13. В приборе реализованы два стиля (Ручной по точкам ‒ Традиционный способ; Теоретический расчёт ‒ этот способ позволяет избавиться от крупногабаритных образцов и свести настройку к одному образцу СО2 (стандартный образец № 2).
72
Рисунок 6.13 – ВРЧ
6.3. Методика проведения работ
Дефектоскоп УД9812 предназначен для выполнения ручного ультразвукового контроля изделий. Контроль осуществляется пьезоэлектрическими преобразователями. Все операции неразрушающего контроля выполняются в режиме
«УЗ контроль».
Процесс неразрушающего контроля изделий состоит из нескольких этапов,
перечисленных ниже:
‒ сканирование (рис. 6.14),
‒ измерение информативных параметров дефектов,
‒ принятие решения о годности изделия,
‒ технологическое испытание аппаратуры.
Рисунок 6.14 – Сканирование изделия для поиска дефекта
1. Сканирование. Изделие подготавливается для проведения ультразвукового контроля, производится зачистка поверхностей ввода. Шероховатость
73
поверхности должна быть не более Rz40. Поверхность ввода смачивают контактной жидкостью, затем ставят преобразователь на поверхность, и перемещают его
с таким расчётом, чтобы «прозвучить» необходимый объем изделия. Как правило, шаг сканирования выбирают равным 1/2 размера пьезоэлемента в ПЭП. Рекомендуемая скорость ручного сканирования не более 100 мм/с. При такой скорости перемещения ПЭП шаг «прозвучивания» изделия 2 мм (тактовая частота
прибора 50 Гц).
Здесь хорошо помогает настройка поискового уровня АСД#1 и, связанная
с ним, звуковая сигнализация. Если появляется эхосигнал, попадающий в зону
контроля АСД#1 и превышающий по амплитуде поисковый уровень, прибор выдаёт звуковой сигнал или постоянно смотреть на экран прибора.
При обнаружении эхосигнала, превышающего поисковый уровень АСД#1,
сканирование прекращают. Затем находят положение преобразователя, в котором наблюдается максимум эхосигнала. Проводят проверку, существенный ли
это дефект. Обычно для этой цели эхосигнал сравнивают с уровнем фиксации
АСД#1. Если эхосигнал не превышает уровень фиксации АСД#1, дефект не существенный, продолжают сканирование.
2. Проводят измерение характеристик дефекта, если эхосигнал превышает
уровень фиксации. Во всех случаях эту информацию указывают в заключениях
по результатам контроля. Согласно ГОСТ Р 55724-2013 основными измеряемыми характеристиками выявляемого дефекта являются:
‒ амплитуда эхосигнала (В режиме «УЗ контроль» выбираем СЕЛЕКТОР.
Элемент меню «СЕЛЕКТОР» в окне управления сверху справа на экране предназначен для перемещения символа селектора (буква S в рамке). Захватите с помощью селектора эхосигнал от дефекта, как показано на рисунке 6.15. Результаты измерений немедленно выводятся в окне сверху слева экрана.);
Рисунок 6.15 – Измерение параметров эхосигнала от дефекта
74
‒ координаты дефекта H (высота, если определять прямым ПЭП) или X, Y,
(если определяется наклонным ПЭП) будут показаны как на рисунке 6.15;
‒ положение преобразователя на изделии (рис. 6.16);
а
б
Рисунок 6.16 – Положение ПЭП на изделии:
а ‒ прямой, б ‒ наклонный
‒ условные размеры дефекта (условная ширина, условная высота и условная протяжённость) (рис. 6.17).
Рисунок 6.17 – Условные размеры дефекта сварного шва, вид сверху
‒ условное расстояние между дефектами (этот параметр крайне редко используется в методиках контроля);
‒ количество дефектов на определённой длине изделия.
3. Принятие решения о годности изделия, выполняют после полного сканирования изделия и определения характеристик всех обнаруженных дефектов.
Решение о годности принимается на основании критериев браковки, установленных в инструкциях.
В методиках ультразвукового контроля главным измеряемым параметром
является амплитуда эхосигнала от дефекта. Производится сравнение эхосигнала
75
от дефекта с браковочным уровнем АСД#1. Если амплитуда эхосигнала от дефекта больше браковочного уровня – принимается решение о недопустимости
дефекта, изделие бракуется.
Размеры дефекта оценивают в ультразвуковом контроле с помощью условных размеров. Сравнивают условный размер дефекта с максимально допустимым. Если измеренное значение больше, чем максимально допустимое – изделие
бракуют. В основном, в методиках контроля определяется условная протяжённость дефекта.
Кроме того, в методиках ультразвукового контроля используют дополнительные критерии браковки: суммарная условная протяжённость дефектов, количество допустимых по амплитуде дефектов на некоторую длину изделия, т. д.
4. Технологическое испытание аппаратуры, проводится в процессе контроля. В сущности, технологическое испытание – это проверка работоспособности прибора, проверка его настройки. Возможны ситуации, когда параметры аппаратуры меняются, например, при резких изменениях температуры окружающей среды, из-за истирания ультразвукового преобразователя, отказы кабеля и
прочее. Периодичность и объем технологических испытаний должны оговариваться в инструкциях.
Рекомендуется в качестве технологического испытания проводить проверку настройки прибора не менее двух раз в течение рабочего дня. В первую
очередь необходимо проверить и, если нужно, скорректировать, браковочный
уровень АСД, положение строба АСД, настройку глубиномера и ВРЧ. Другие
параметры прибора УД9812 проверяют по необходимости.
6.4. Порядок выполнения лабораторной работы
Каждый студент должен выполнить:
‒ калибровку прибора дефектоскопа УД9812;
‒ подготовку образца для проведения работ;
‒ сканирование образца;
‒ измерение параметров эхо-сигнала, определение координат дефекта;
‒ оформление отчёта по форме (прил. 2) и выводы.
6.5. Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. Дать определение дефектам сварных соединений.
2. Какие виды дефектов существуют? Краткая характеристика.
3. Что из себя представляет дефектоскоп УД9812?
76
4. Для чего предназначена функция «Селектор»?
5. Какие существуют этапы ультразвукового неразрушающего контроля?
6. Опишите физический принцип ультразвукового НК.
6.6. Практическое задание для магистрантов
1. Повторите (изучите) материал лабораторной работы.
2. Дайте оценку применимости ультразвукового метода для проведения обследования оборудования, являющегося объектом исследования магистерской
диссертации.
3. Тезисно сформулируйте, какие Вы видите существенные ограничения
ультразвукового метода НК.
4. Расскажите алгоритм контроля ультразвуковым методом при обследовании оборудования, являющегося объектом исследования магистерской диссертации.
5. Какие характерные дефекты и в каких конкретно зонах потенциально
могут быть выявлены ультразвуковым НК применительно к оборудованию, являющемуся объектом исследования магистерской диссертации?
77
7. КОНТРОЛЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МАТЕРИАЛА
7.1. Назначение методов и нормативные документы
Анализ химического состава металлов и сплавов – неотъемлемая часть многих технологических процессов в различных отраслях промышленности. Исследование позволяет определить присутствие в материале примесей и включений, а
также прогнозировать эксплуатационные характеристики готового изделия.
Для решения этой задачи используются анализаторы – надёжные и эффективные приборы, способные работать как в производственных, так и лабораторных условиях.
Химический анализ позволяет:
 определить количественный состав;
 исследовать образец на присутствие примесей и определить их концентрацию;
 идентифицировать сплав;
 выяснить соотношение примесей сплава для его маркировки.
 Проведение исследования необходимо для:
 экспертизы продукции для определения соответствия действующим
стандартам;
 непрерывного контроля технологического процесса;
 входного контроля исходного сырья;
 разработки и создания новых сплавов;
 сертификации продукции;
 освидетельствования чистых металлов.
Для проведения химического анализа металлов и сплавов могут быть использованы различные методы. Однако не все они удовлетворяют следующим
требованиям:
‒ максимальная оперативно;
‒ высокая точность результатов;
‒ использование неразрушающих методов;
‒ простота эксперимента;
‒ применение в производственных условиях.
7.1.1. Метод атомно-эмиссионного спектрального анализа
Атомно-эмиссионный спектральный (АЭС) анализ металлов и сплавов получил наибольшее распространение в различных отраслях промышленности.
78
С его помощью можно исследовать вещества в различных агрегатных состояниях на присутствие многих химических элементов. Он имеет низкий предел обнаружения элементов, отличается простотой и низкой себестоимостью, что делает целесообразным его использование в лабораториях спектрального анализа
металлов, решающих различные аналитические задачи.
После получения спектра следующей операцией является его аналитическая оценка, которую можно проводить объективным либо субъективным методом. Объективные методы можно подразделить на непрямые и прямые. Первая
группа охватывает спектрографические, а вторая – спектрометрические методы.
В спектрографическом методе фотоэмульсия позволяет получить промежуточную характеристику интенсивности линии, в то время как спектрометрический
метод основан на прямом измерении интенсивности спектральной линии с помощью фотоэлектрического приёмника света. В субъективном методе оценки чувствительным элементом является человеческий глаз.
АЭС – способ определения элементного состава вещества по оптическим
линейчатым спектрам излучения атомов и ионов анализируемой пробы, возбуждаемым в источниках света. В качестве источников света для атомно-эмиссионного анализа используют пламя горелки или различные виды плазмы, включая
плазму электрической искры или дуги, плазму лазерной искры, индуктивно-связанную плазму, тлеющий разряд и др.
АЭС – самый распространённый экспрессный высокочувствительный метод идентификации и количественного определения элементов примесей в газообразных, жидких и твёрдых веществах, в том числе и в высокочистых. Он широко применяется в различных областях науки и техники для контроля промышленного производства, поисках и переработке полезных ископаемых, в биологических, медицинских и экологических исследованиях и т. д. Важным достоинством АЭС по сравнению с другими оптическими спектральными, а также многими химическими и физико-химическими методами анализа, являются возможности бесконтактного, экспрессного, одновременного количественного определения большого числа элементов в широком интервале концентраций с приемлемой точностью при использовании малой массы пробы.
Рентгеноспектральный анализ широко используется в различных областях
техники благодаря возможности экспресс-контроля без разрушения исследуемого образца. Время определения одного химического элемента может составлять всего несколько секунд, практически нет ограничений по виду исследуемых
веществ. Анализ проводится как в качественном, так и в количественном плане.
Рентгеноспектральный анализ – это один из физических методов исследования и контроля материалов. В его основе лежит идея, общая для всех способов
79
спектроскопии. Сущность рентгеноспектрального анализа заключается в способности вещества испускать характерное рентгеновское излучение при бомбардировке атомов быстрыми электронами или квантами. При этом их энергия должна
быть больше энергии, которая необходима для вырывания электрона из оболочки атома. Такое воздействие приводит не только к появлению характеристического спектра излучения, состоящего из небольшого числа спектральных линий, но и непрерывного. Оценка энергетического состава регистрируемых частиц даёт возможность сделать выводы о физических и химических свойствах
исследуемого объекта. В зависимости от метода воздействия на вещество, регистрируются либо частицы того же сорта, либо другие. Существует также рентгеновская спектроскопия поглощения, но она чаще всего служит в качестве вспомогательного инструмента для понимания ключевых вопросов традиционного
рентгеноспектрального исследования. Типы веществ Методы рентгеноспектрального анализа позволяют изучить химический состав вещества.
7.1.2. Оптико-эмиссионная спектрометрия
Метод основан на интерпретации спектра в диапазоне 130...800 нм, получаемого в процессе возбуждения атомов материала исследуемого образца. При
воздействии искрового разряда анализируемая область образца сильно нагревается и атомы образца на короткое время возбуждаются, а в дальнейшем, при переходе в стабильное состояние испускают свет с характерного для каждого конкретного элемента линейчатым спектром. Величина энергии для перехода электронов на внешние орбитали при возбуждении с разных уровней известна и постоянна для каждого элемента, поэтому длина волны спектральных линий будет
также известна и постоянна.
Подготовка образцов для анализа заключается в получении ровной шлифованной поверхности достаточной для анализа площади. Образцы должны
быть однородными и монолитными, минимальная толщина образца 1,5...2 мм,
поверхность – не менее 10 × 10 мм.
7.1.3. Количественный рентгеноструктурный анализ
Рентгеноструктурный анализ осуществляется по рентгенограммам, полученным в режиме шагового сканирования дифрактометре. Определение фазового состава производится соответствующим программным обеспечением с
помощью дифракционной базы данных. Количество фазовых составляющих
80
определяется путём сравнительной оценки интенсивностей дифракционных отражений (метод RIR – Reference Intensity Ratio).
Подготовка металлических образцов для анализа заключается в получении
ровной полированной поверхности достаточной для анализа площади, но не превышающей 45 мм в диаметре.
7.1.4. Рентгеноспектральный микроанализ
Рентгеноспектральный микроанализ основан на регистрации полупроводниковым детектором энерго-дисперсионной приставки характеристического
рентгеновского излучения, которое появляется в результате взаимодействия с
исследуемым материалом пучка электронов, падающего на поверхность образца.
Система обработки сигнала затем разделяет рентгеновские фотоны по энергиям
и, таким образом, получается полный спектр, по которому определяется элементный состав исследуемого образца. По интенсивности линий в сравнении с образцом-эталоном определяют содержание данного элемента в исследуемом участке
образца. Метод позволяет исследовать участок размером до 3–5 мкм, чувствительность определения концентраций зависит от номера элемента в периодической таблице и составляет 0,02...0,1 %.
7.2.
Рентгенофлуоресцентный анализатор металлов и сплавов
«DELTA DP2000»
7.2.1. Назначение рентгенофлуоресцентной спектрометрии
Портативный XRF – анализатор DELTA осуществляет высокоточный анализ химического состава материалов, быстро и точно определяя чистые металлы
и марки сплавов. Определение химического состава и марки сплава за считанные
секунды. От простой сортировки до сложного разделения однотипных марок. От
входного контроля материалов до контроля конечного продукта. Анализатор
DELTA в считанные секунды определяет химический состав и марку сплава.
Прибор способен одновременно идентифицировать более 25 элементов. От простой сортировки до сложного разделения однотипных марок, DELTA гарантирует высокоточный анализ химического состава материалов, быстро и точно
определяя чистые металлы и марки сплавов. Также определяет химический состав и качество металлических сплавов. Прибор предназначен для работы в тяжёлых промышленных условиях.
81
Алюминиевые сплавы: хромомолибденовая сталь, кобальтовые сплавы,
медные сплавы, экзотические сплавы, магниевые сплавы, никелевые сплавы, никелекобальтовые сплавы.
Стали и сплавы: нержавеющая сталь, инструментальная сталь, титановые
сплавы, кованые алюминиевые сплавы, цинковые сплавы, цинковые сплавы.
7.2.2. Описание прибора DELTA DP2000
DELTA – это анализатор, сочетающий высокую скорость и качество контроля. XRF-системы имеют свои плюсы и минусы. При наличии высокой скорости анализа часто неопытным операторам сложно определить насколько точны
результаты контроля и требуется ли более продолжительный анализ.
В анализаторе DELTA используется технология X-act Count. Это технология, которая обеспечивает оптимальную скорость анализа, наилучший предел
обнаружения, расширенный диапазон определяемых элементов.
Анализ лёгких элементов (Mg, Al, Si, P, S), традиционно считающийся
сложным для портативных XRF спектрометров, не представляет никаких трудностей для XRF анализатора металлов DELTA с дрейфовым детектором SDD и
новой технологией X-act Count. Сочетание миниатюрной трубки 40кВ с родиевым (Rh) анодом, плавающим током и автоматической системой фильтров обеспечивает точное и бескопромиссное определение как тяжёлых, так и лёгких элементов. Режим SmartSort повышает эффективность экспресс анализа путём последовательного переключения тока, напряжения и подбора нужного фильтра.
Это происходит автоматически вместе с корректировкой времени теста.
Преимущества анализатора DELTA DP:
‒ обнаружение магния (Mg) от 0,20 % и менее;
‒ быстрый и точный количественный анализ содержания S в нержавеющей
и низколегированной стали;
‒ надёжная идентификация марок сплавов 303 (12X18H10E) и 416
(10X17H13M2);
‒ определение Si и Al в нержавеющей стали, бронзе и других сплавах;
‒ определение фосфора (P) в углеродистой стали (от 0,014% и менее) с уникальной калибровкой «Сплавы Плюс»;
‒ расширенная библиотека сплавов в сочетании с режимом SmartSort
предоставляет номинальный химический состав лёгких элементов в случае необходимости скоростного анализа.
Режим сортировки SmartSort – режим умной сортировки для каждого типа
сплава, автоматически продлевая или сокращая время анализа:
82
‒ выбирает режим сортировки для каждого типа сплава, автоматически
продлевая или сокращая время анализа;
‒ повышает эффективность экспресс сортировки и оптимизирует
настройки для более точного определения лёгких элементов (Mg, Al, Si, P, S).
Продолжительность анализа увеличивается только при необходимости, что позволяет избежать неоправданно долгих тестов и путаницы;
‒ делает DELTA высокоскоростным и надёжным инструментом анализа.
Таблица соответствия марок (Grade Match Messaging):
‒ позволяет добавлять подсказки и всплывающие сообщения в библиотеку
идентификации марок;
‒ возможность редактирования позволяет создавать всплывающие подсказки, включая кодированные сообщения;
‒ сохраняет библиотеки подсказок для конкретных рабочих участков.
Библиотека марок сварочных материалов:
‒ может быть активирована наряду со стандартной библиотекой анализа
для комплексного контроля качества (входного или ремонтного контроля);
‒ позволяет быстро добавлять марки или редактировать имеющиеся встроенные библиотеки;
‒ включает стандартную библиотеку марок (AiSi и ГОСТ).
Анализаторы DELTA специально спроектированы для технического контроля горячих образцов (426 °C и выше). Радиатор на верхней панели прибора
отводит тепло от измерительного блока, обеспечивая длительность использования в условиях высокотемпературного анализа.
Библиотека пимесей – стандартная функция для
оптико-эмиссионных анализаторов (OES), но
среди портативных приборов DELTA является
единственным её обладателем. Позволяет оператору устанавливать максимально допустимую
концентрацию для определённых элементов в 7
сортах сплавов; эти элементы рассматриваются
как «примеси» или «остатки», что позволяет более
точно определить марку стали/сплава. АнализаРисунок 7.1 ‒ Результаты тор DELTA поставляется с предварительно загруженной библиотекой примесей, основанной
анализа, отображающие
на промышленных стандартах. Библиотека автономинальное
матически идентифицирует и показывает конзначение (3 % Al) и
центрацию примесей, и, тем самым, упрощает
примеси (0,09 % Fe)
83
процесс определения марки для пользователя, исключая необходимость подсчёта примесных элементов, которые обычно содержатся в той или иной группе
сплавов. Определение количества примесей важно для выявления коррозии и
статистики отказов.
Комплектность прибора:
 водонепроницаемый противоударный кейс;
 литий-ионные батареи (2 шт.);
 руководство по эксплуатации и руководство по работе с пользовательским интерфейсом (в электронном формате);
 краткое руководство по началу работы (в печатном варианте);
 зарядная док-станция;
 mini-USB кабель;
 калибровочный образец в форме монеты из нерж. стали 316;
 сменные окошки (10 шт.);
 ремешок-фиксатор на запястье;
 программное обеспечение DELTA PC;
 техническая и сервисная поддержка.
7.2.3. Описание метода и технологии X-act Count
Анализ лёгких элементов (Mg, Al, Si, P, S), традиционно считающийся сложным для портативных XRF спектрометров, не представляет никаких трудностей
для XRF анализатора сплавов и металлов DELTA SDD с новой технологией X-act
Count. Сочетание рентгеновской трубки 40 кВ с родиевым (Rh) анодом, плавающим током и автоматической системой фильтров гарантирует точное бескопромиссное определение как тяжёлых, так и лёгких элементов. Система SmartSort
повышает эффективность экспресс-анализа путём последовательного переключения тока, напряжения, фильтра. Это происходит автоматически вместе с корректировкой времени теста. Геохимическое картирование позволяет планировать,
визуализировать и быстро оценивать ситуацию для принятия оптимального решения по разведке и добыче полезных ископаемых.
Элементарный анализ алюминия.
Новые спектрометры Olympus DELTA с дрейфовым детектором SDD предлагают непревзойдённые возможности по анализу алюминия. Анализаторы обеспечивают скоростную сортировку алюминиевых и алюмосодержащих сплавов.
Алюминиевые сплавы.
Прибор с высокой точностью измеряет содержание магния в сплавах серии
84
5000 и сортирует Mg-содержащие сплавы. Сортировка 3003 (АМцС) и 3004
(Д12); 1100 (АДС) и 6063 (АД31); 2014 (АК8) и 2024 (Д16).
Титановые сплавы.
С высокой точностью определяет содержание алюминия (Al) в титановых
сплавах (Ti), включая чистый титан.
Красная латунь:
 классифицирует Al и Si бронзы;
 жаропрочные нержавеющие сплавы;
 измеряет алюминий (Al) в жаропрочных и никелькобальтовых;
 измеряет алюминий (Al) в жаропрочных и никелькобальтовых;
 Ni/Co суперсплавах.
Рисунок 7.2 – Анализ продукции на производстве
7.2.4. Возможности портативного XRF анализатора DELTA
Анализатор DELTA имеет стандартное окно диаметром 9 мм, которое может уменьшаться до 3 мм для сфокусированного анализа проб. Это даёт возможность анализировать мелкие детали, тонкую проволоку, искривлённые поверхности, биметаллы и скрытые сварные швы.
Диаметр пятна можно изменить простым прикосновением к экрану.
Встроенная полноформатная камера VGA позволяет получать видеоизображение анализируемого образца, точно определять место наведения луча и, соответственно, точку замера.
После анализа изображение образца или его фрагмента сохраняется в памяти. В дальнейшем его можно использовать при составлении отчёта.
Библиотека марок сварочных материалов:
 может быть активирована наряду со стандартной библиотекой анализа
для комплексного контроля качества (входного или ремонтного контроля);
 позволяет быстро добавлять марки или редактировать имеющиеся
встроенные библиотеки и включает стандартную библиотеку марок (рис. 7.3).
85
Рисунок 7.3 – Библиотека марок материалов
7.3. Порядок выполнения лабораторной работы
Перед выполнением работ следует изучить технику безопасности использования данного оборудования и соблюдать ряд правил, которые будут описаны
ниже.
Каждый студент должен.
1. Надеть защитную перчатку.
2. Включить прибор.
3. Проверить заряд аккумуляторов.
4. Дождаться загрузки библиотек.
5. Произвести калибровку прибора DELTA DP-2000.
6 Приступить к сканированию образца и дождаться результата.
7. Полученные результаты передать на ПК.
8. Обработать данные с помощью программ, прилагаемых в комплекте.
9. Сделать выводы о составе сканируемого образца и предложить рекомендации по дальнейшему обследованию объекта.
7.4. Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. Дать определение методу АЭС анализа.
2. Что из себя представляет прибор DELTA DP?
3. В чем заключается процесс АЭС анализа?
4. Какие металлы и марки сплавов определяет прибор DELTA DP?
5. Какой основной параметр используется для оценки напряжённого состояния зоны концентрации напряжений и его физический смысл?
6. Какие элементы может определять прибор DELTA DP?
86
7.5. Практическое задание для магистрантов
1. Повторите (изучите) материал лабораторной работы.
2. Дайте оценку применимости АЭС анализа для проведения обследования
оборудования, являющегося объектом исследования магистерской диссертации.
3. Тезисно сформулируйте, какие Вы видите существенные ограничения
АЭС анализа.
4. Расскажите алгоритм методом АЭС анализа при обследовании оборудования, являющегося объектом исследования магистерской диссертации.
87
8. ТЕПЛОВОЙ КОНТРОЛЬ
8.1. Теоретические основы
Тепловой метод контроля (инфракрасная термография) – это дистанционный метод получения термограммы – изображения в инфракрасных лучах
(рис. 8.1), показывающего картину распределения температурных полей на поверхности контролируемого объекта с помощью специального прибора – тепловизора.
Рисунок 8.1 – Место ИК-излучения в спектре электромагнитного излучения:
1 – рентгеновские лучи; 2 – ультрафиолет; 3 – видимая часть спектра;
4 – инфракрасный диапазон; 5 – микроволны; 6 – радиоволны
Тепловизор – устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности (рис. 8.2). Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности.
Все объекты, температура которых выше абсолютного нуля (0 К = ‒273.15 °C),
излучают инфракрасные волны. Человеческий глаз не способен увидеть инфракрасное излучение.
88
Рисунок 8.2 – Внешний вид современного тепловизора
Тепловизор измеряет инфракрасное излучение в длинноволновом спектре
в пределах поля обзора. Каждый пиксель детектора представляет собой инфракрасную точку, отображаемую на дисплее.
Термография (измерение температуры посредством тепловизора) является
пассивным, бесконтактным методом измерения. ИК-изображение отображает
распределение температуры на поверхности объекта. Поэтому, с помощью тепловизора нельзя «заглянуть» вовнутрь объекта или увидеть его насквозь.
Излучение, регистрируемое тепловизором, состоит из излучаемого, отраженного и проходящего длинноволнового инфракрасного излучения, исходящего от объектов, расположенных в пределах поля зрения тепловизора (рис. 8.3).
Рисунок 8.3 – Состав излучения, фиксируемого тепловизором
Коэффициент излучения (ε) – это степень способности материала излучать
(выделять) инфракрасное излучение. Коэффициент излучения изменяется в зависимости от свойств поверхности, материала, и в случае с некоторыми материалами от температуры измеряемого объекта.
Максимальная излучательная способность: ε = 1 (100 %), но ε = 1 в действительности не встречается. Живые тела: ε < 1, т. к. живые тела также отражают и
89
по возможности пропускают излучение. Многие неметаллические материалы
(например, ПВХ, бетон, органические вещества) обладают высокой излучательной способностью в длинноволновом инфракрасном диапазоне, которая не зависит от температуры (ε от 0,8 до 0,95).
Металлы, особенно материалы с блестящей поверхностью, обладают низкой излучательной способностью, которая может меняться в зависимости от температуры.
Коэффициент излучения ε можно вручную задать в тепловизоре. Коэффициент отражения (ρ) – это степень способности материала. Как правило, гладкие, полированные поверхности имеют большую отражательную способность, чем шероховатые, матовые поверхности, изготовленные из одного и того же материала.
Компенсацию отражённой температуры можно вручную настроить в тепловизоре (КОТ). Во многих областях применениях отражённая температура соответствует температуре окружающей среды. Вы можете измерить её, например,
с помощью воздушного термометра. Факт отражения легко обнаружить, направив тепловизор на полированную поверхность так, чтобы в ней, как в зеркале,
отразился другой источник тепла. На рисунке 8.4 показан факт отражения водяной поверхностью тепла от труб. Это абсолютно не означает, что поверхность
воды в данном месте нагрета выше, чем поверхность в других местах.
Коэффициент пропускания (τ) – это степень способности материала пропускать (проводить через себя) инфракрасное излучение. τ зависит от типа и толщины материала. Большинство материалов являются материалами не пропускающего типа, т.е. устойчивыми к длинноволновому инфракрасному излучению.
Сумма данных компонентов всегда принимается за 1 (100 %):
ε + ρ + τ = 1 Поскольку коэффициент пропускания редко играет значительную
роль на практике, он опускается и формула упрощается до ε + ρ = 1.
Рисунок 8.4 – Факт отражения теплового излучения труб водной поверхностью
Необходимо различать тепловизор и пирометр. Оба прибора бесконтактно
90
измеряют температуру тела по принимаемому от тела инфракрасному излучению. Однако пирометр измерят среднюю температуру по площади области измерения. Размеры области измерения зависят от мгновенного угла зрения и расстояния.
Виды теплового контроля:
 тепловизионная диагностика электрооборудования;
 тепловизионное обследование зданий;
 тепловизионное обследование теплотехнического оборудования;
 тепловизионное обследование нефтегазового оборудования.
Тепловизионная диагностика электрооборудования выявляет следующие
виды дефектов:
 состояние межлистовой изоляции статора генератора;
 нарушения паек лобовых частей обмоток;
 перегревы контактных соединений (рис. 8.5);
 наличие дефектных изоляторов;
 нарушения в работе систем охлаждения;
 нарушения внутренней циркуляции масла в баке трансформатора;
 ослабление контактных соединений токоведущих частей;
 ухудшение состояния основной изоляции, изоляции вводов, шунтирующих конденсаторов;
 перегрев контактных соединений аппаратных зажимов;
 трещины в опорно-стержневых изоляторах, дефекты подвесной изоляции;
 обрыв шунтирующих сопротивлений; неравномерность распределения
напряжения по элементам;
 нарушения наружных и внутренних контактных соединений;
 ухудшение внутренней изоляции обмоток, связанное со шламообразованием и другими дефектами;
 ухудшение изоляции концевых кабельных муфт и кабельных заделок;
 дефекты поддерживающей арматуры.
91
Рисунок 8.5 – Перегрев контактных соединений
Тепловизионное обследование зданий позволяет определить (рис. 8.6):
‒ скрытые дефекты теплоизоляции или конструктивные недоработки (некачественный монтаж оконных блоков, дефекты теплоизоляции стыков между
панелями, мостики холода);
‒ реальные теплопотери и сравнение их с нормативными;
‒ места возможного запотевания стен;
‒ недоработки в разводке отопительной системы, засорённость батарей;
‒ места протеканий в кровле;
‒ места прокладки труб или электрических нагревателей в обогреваемых
полах.
Рисунок 8.6 – Тепловизионное обследование зданий
92
Тепловизионное обследование теплотехнического оборудования выявляет
следующие виды дефектов:
‒ дефекты теплоизоляции между футеровкой и стволом трубы;
‒ трассировка теплотрасс, уточнение мест и размеров компенсаторов;
‒ дефекты теплоизоляции в подземных трубопроводах (разрушение, намокание);
‒ дефекты ствола труб (трещины, негерметичные швы бетонирования,
участки пористого бетона);
‒ дефекты футеровки труб (трещины, выпадение кирпичей, не заделанные
монтажные проёмы);
‒ дефекты теплоизоляции печей, трубопроводов и т. д. выявление мест порыва трубопровода.
Тепловизионное обследование нефтегазового оборудования позволяет выявить:
‒ места утечек газа;
‒ повреждение изоляции трубопроводов (рис. 8.7);
‒ дефекты стенок резервуаров (рис. 8.8);
‒ утечки и места разлива нефти;
‒ определение уровня жидкости в резервуаре (рис. 8.9).
Рисунок 8.7 – Нарушение теплоизоляции теплотрассы
Рисунок 8.8 – Определение дефекта на вертикальной стенке цилиндрического
резервуара
93
Рисунок 8.9 – Определение уровня жидкости в резервуаре
Тепловой контроль может проводиться с применением авиации, например,
для мониторинга протяжённых, скрытых в земле объектов. Например, магистральных газо- и нефтепроводов. На рисунке 8.10 представлена фотография в
обычном спектре и в ИК диапазоне поверхности земли в месте нахождения магистрального трубопровода. Стрелками отмечены места повреждения изоляции
и утечек продукта.
Рисунок 8.10 – Контроль трубопровода с вертолёта
94
Преимущества тепловизионного обследования:
 наглядность. Для понимания термограмм не требуется никакой специальной подготовки;
 оперативность. Всю информацию прибор отображает в реальном времени;
 точность. У любого скрытого дефекта существует тепловое проявление,
которое будет выявлено;
 достоверность данных. Прибор показывает только то, что видит. Он не
способен что-либо скрыть или добавить к увиденному;
 безопасность при проведении обследования оборудования;
 предотвращение аварий и повреждений оборудования;
 большой объём выполняемых работ за единицу времени;
 быстрая окупаемость. Экономический эффект теплового обследования
многократно превышает затраты на её проведение;
 бесконтактность и дистанционность процесса контроля. Регистрирующая аппаратура расположена на расстоянии нескольких метров от объекта;
 мобильность аппаратуры. Приборы имеют малые габариты и вес, что
упрощает процесс проведения обследования;
 независимость от размеров объекта. Возможность обзора одним и тем
же прибором малых (размером до нескольких сантиметров) и очень больших
(размером до сотен метров) объектов;
 неразрушающий метод обследования. Для выполнения тепловизионной
съёмки не требуется демонтировать элементы конструкций или отделки.
Недостатки тепловизионного контроля как метода НК связаны в основном
с условиями окружающей среды. Интенсивные осадки (дождь, снег) могут исказить результаты измерений. К тому же, измерение влажных объектов может привести к ошибкам, поскольку поверхность измеряемого объекта охлаждается при
испарении осадков. Предметы нагреваются на солнце в результате поглощения
солнечного света. Это в значительной степени влияет на поверхностную температуру – в некоторых случаях температура держится на протяжении нескольких
часов после того как объект был подвержен солнечному воздействию.
Уровень относительной влажности воздуха во время измерений должен
быть достаточно низким, чтобы избежать конденсации в воздухе (туман), на измеряемом объекте, на защитном фильтре объектива или самом объективе тепловизора. Если объектив (или защитный фильтр) запотевает, определённая часть
инфракрасного излучения не будет получена тепловизором, т. к. излучение не
сможет полностью пройти сквозь воду. Густой туман также может повлиять на
95
результаты измерения, т.к. капли воды препятствуют прохождению инфракрасного излучения в полной мере по пути передачи.
Ветер или сквозняк в помещении может оказать влияние на измерение температуры с помощью тепловизора. В результате процесса теплообмена (конвекции) температура воздуха, приближенного к поверхности, и температура измеряемого объекта примерно одинаковые. Если в среде измерений присутствует
ветер или сквозняк, данный слой воздуха «сдувается» и заменяется новым слоем,
ещё не адаптировавшимся к температуре измеряемого объекта. В результате конвекции, тепло «забирается» из тёплого измеряемого объекта или впитывается холодным измеряемым объектом до тех пор, пока температура воздуха и температура поверхности измеряемого объекта не приспособятся друг к другу. Эффект
теплообмена усиливается при большей разнице между температурой поверхности измеряемого объекта и температурой окружающей среды.
Некоторые взвешенные вещества, такие как, например, пыль, сажа и дым,
а также некоторые виды испарений имеют высокий коэффициент излучения и
плохо пропускают излучение. Это означает, что они могут являться помехой для
проведения измерений, т. к. они испускают собственное инфракрасное излучение, регистрируемое тепловизором. Более того, только некоторое количество инфракрасного измерения измеряемого объекта проходить к тепловизору, так как
большая его часть рассеивается и поглощается взвешенными веществами.
Свет или освещение не оказывают значительного воздействия на измерения, осуществляемые с помощью тепловизора. Также вы можете проводить измерения в темноте, т. к. тепловизор измеряет инфракрасное излучение в длинноволновом спектре. Однако от некоторых источников света исходит инфракрасное тепловое излучение, которое может повлиять на температуру объектов, расположенных поблизости. Поэтому не рекомендуется проводить измерения под
прямыми солнечными лучами или, например, вблизи накалённой электрической
лампы. Холодные световые источники, такие как светодиоды или неоновый свет
не представляют собой помехи, поскольку они преобразуют большую часть потребляемой энергии в видимый свет, а не инфракрасное излучение.
Идеальными условиями для проведения измерений являются:
‒ устойчивые погодные условия;
‒ значительная облачность до и во время проведения измерений (относится
только к измерениям на открытом воздухе);
‒ отсутствие прямых солнечных лучей до и во время измерения;
‒ отсутствие осадков;
‒ сухая и не подверженная источникам помех поверхность измеряемого
96
объекта (например, без листвы или опилок на поверхности);
‒ отсутствие ветра или сквозняка;
‒ отсутствие источников помех на пути передачи ИК излучения или в измерительной среде.
8.2. Порядок выполнения лабораторной работы
1. Внимательно ознакомиться с инструкцией по эксплуатации тепловизора.
Тепловизор – очень дорогой прибор, работа с которым возможна только с разрешения преподавателя и под его непосредственным контролем.
2. Обучение работе с тепловизором
3. Включить тепловизор.
4. Изучить информацию, содержащуюся на экране.
5. Направить тепловизор на любой объект, научиться фокусировать прибор
6. Изучение теплового поля человека
7. Определить места человеческого тела с максимальной и минимальной
температурой
8. Особенности анализа тепловизионной картинки при наличии отражённых лучей
9. Направить тепловизор на глянцевую поверхность, расположенную горизонтально (парта, зеркало).
10. Обнаружить тепловое изображение ламп, расположенных на потолке.
11. Сделать вывод о температуре поверхности лампы (зеркала) в той части,
где видны лампы освещения.
12. Повторить эксперимент, направив тепловизор на стекло окна таким образом, чтобы обнаружить отражённое изображение людей, находящихся в лаборатории.
13. Сделать выводы об информации об исследуемом объекте, пришедшей
в виде ИК-лучей в матрицу тепловизора.
14. Особенности анализа тепловизионной картинки при наличии проходящих лучей
15. Направить тепловизор на окно таким образом, чтобы было видно теплые объекты, расположенные на улице (люди, машины и т. п.)
16. Сделать вывод о температуре стекла окна в месте, где пришёл тепловой
сигнал от внешних объектов.
17. Тепловое обследование зданий на поиск утечек тепла (проводится в холодное время года)
97
18. Выйти на улицу и направить тепловизор на здание. Обнаружить области здания с аномально высокими температурами.
19. Находясь внутри помещения, направить тепловизор на внешнюю стену.
8.3. Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. Объекты из каких материалов могут быть подвергнуты тепловому контролю?
2. Чем тепловизор отличается от прибора ночного видения, от пирометра?
3. Для каких целей может быть использован тепловизор в нефтегазовой отрасли?
4. Какие тепловые поля фиксирует матрица тепловизора, направленная на
конкретный объект исследования?
5. Влияют ли погодные условия на точность проведения теплового контроля? Если влияют, то какие и как?
6. Какие явления могут быть источником тепла?
8.4. Практическое задание для магистрантов
1. Повторите (изучите) материал лабораторной работы.
2. Дайте оценку применимости тепловизионного контроля для проведения
обследования оборудования, являющегося объектом исследования магистерской
диссертации.
3. Тезисно сформулируйте, какие Вы видите существенные ограничения
тепловизионного контроля.
4. Расскажите алгоритм обследования методом тепловизионного контроля
при обследовании оборудования, являющегося объектом исследования магистерской диссертации.
5. Какие дефекты можно выявить методом тепловизионного контроля в
оборудовании, являющемся объектом исследования магистерской диссертации?
98
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Неразрушающий контроль сварных конструкций в нефтегазовых отраслях: Учебное пособие / А. А. Антонов, Е. М. Вышемирский, О. Е. Капустин, А.
К. Прыгаев. – Москва : Спутник +, 2014. – 238 с.
2. Борейко, Д. А. Оценка напряжённо-деформированного состояния
элементов нефтегазопромыслового оборудования методом магнитной памяти
металла : методические указания / Д. А. Борейко. – Ухта : Изд-во УГТУ, 2018.
– 21 с.
3. Борейко, Д. А. Ультразвуковой неразрушающий контроль элементов
нефтегазопромыслового оборудования : методические указания / Д. А. Борейко. – Ухта : УГТУ, 2020. – 19 с.
4. Борейко, Д. А. Анализ элементного состава металлов и сплавов рентгено-флуоресцентным методом : методические указания / Д. А. Борейко. –
Ухта : Изд-во УГТУ, 2020. – 20 с.
5. Маслов, Б. Г. Неразрушающий контроль сварных соединений и изделий
в машиностроении : учебное пособие для студентов высших учебных заведений
/ Б. Г. Маслов. ‒ Москва : Академия, 2008. ‒ 272с.
6. Каневский, И. Н., Сальникова , Е. Н. Неразрушающие методы контроля:
учебное пособие / И. Н. Каневский, Е. Н. Сальникова ‒ Владивосток : Изд-во
ДВГТУ, 2007. ‒ 243 с.
7. Работоспособность трубопроводов: в 3 ч. / Е. Е. Зорин, Г. А. Ланчаков и
др.‒ Москва : Недра-бизнесцентр, 2000. ‒ Ч. 1‒3.
8. Горицкий, В. М. Диагностика металлов / В. М. Горицкий. ‒ Москва :
Металлургиздат, 2004. ‒ 402 с.
9. Сварка. Резка. Контроль: справочник в 2 т. Т. 1 / под ред. Н. П. Алешина,
Г. Г. Чернышова. – Москва : Машиностроение, 2004. ‒ 478 с.
99
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Заключение по результатам визуального и измерительного контроля
Наименование лаборатории НК
Наименование объекта
Уровень качества
Наименование трассы
Участок трубопровода, километраж
Наименование организации Подрядчика
Наименование организации Заказчика
Свидетельство об аттестации №
Заключение №___
от ____________ 20__ года
по контролю качества сварных соединений визуальным и измерительным методом
№ технологической карты по контролю
100
РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ
№ п/п
1
Номер сварного соединения по
журналу
сварки
2
Контроль провёл
Заключение выдал
Диаметр
толщины
стенки
трубы, мм
Шифр бригады или
клеймо
сварщика
Средства
контроля
Описание
выявленных
дефектов
Схема проконтролированного сварного соединения
Заключение
(годен, ремонт, вырезать)
Примечания
3
4
5
6
7
8
9
ФИО
ФИО
Уровень квалификации, № удостоверения Подпись
Уровень квалификации, № удостоверения Подпись
Печать лаборатории
Дата
Дата
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Утверждаю
____________/
« »
/
20 г.
АКТ №
проведение __________________дефектоскопии
В порядке проведения лабораторной работы проведена дефектоскопия
объекта:________________________________________________________________
____________________________________________________________________
___________________________________________________________
Дефектоскопия объекта проведена « » __________ 20 г.
в присутствии:______________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
______________________________________________________________
Используемые для проведения дефектоскопии расходные материалы и
оборудование:_________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
_________________________________________________
Результаты испытаний: _________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________
Выводы:_______________________________________________________________
_________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
______________________________________________________________
Подписи членов комиссии (группы студентов)
101