Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)» К.В. Беляев, В.С. Серебренников НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ Учебное пособие Омск • 2018 УДК 625.76 ББК 39.311 Б44 Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке не подлежит Рецензенты: канд. техн. наук В.В. Михеев (ОмГТУ); канд. техн. наук, доц. С.А. Милюшенко (СибАДИ) Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве учебного пособия. Беляев, Константин Владимирович. Б44 Неразрушающие методы контроля [Электронный ресурс] : учебное пособие / К.В. Беляев, В.С. Серебренников. − Омск : СибАДИ, 2018. − Режим доступа: http://bek.sibadi.org/fulltext/esd684.pdf, свободный после авторизации. – Загл. с экрана. ISBN 978-5-00113-094-9. Рассмотрены основные методы неразрушающего контроля, понятие о дефектах и их видах; оптический, капиллярный, акустический, магнитный, вихретоковый методы контроля, а также метод течеискания. Имеет интерактивное оглавление в виде закладок. Предназначено для обучающихся всех форм по направлениям подготовки бакалавриата и магистратуры «Наземные транспортно-технологические комплексы» и «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Подготовлено на кафедре «Эксплуатация и сервис транспортнотехнологических машин и комплексов в строительстве». Текстовое (символьное) издание (2,5 МБ) Системные требования: Intel, 3,4 GHz; 150 Мб; Windows XP/Vista/7; DVD-ROM; 1 Гб свободного места на жестком диске;программа для чтения pdf-файлов: Adobe Acrobat Reader; Foxit Reader Редактор О.А. Соболева Техническая подготовка Н.В. Кенжалинова Издание первое. Дата подписания к использованию 19.09.2018 Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1 © ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2018 ВВЕДЕНИЕ Улучшение качества промышленной продукции, повышение надежности и долговечности оборудования и изделий возможно при условии совершенствования производства и внедрения системы управления качеством. На ранних стадиях становления промышленности основными требованиями к качеству являлись точность и прочность. По мере развития промышленного производства продукция становилась все более сложной, число ее характеристик постоянно росло. Встал вопрос проверки не отдельных свойств изделий, а его функциональной способности в целом. Начала складываться система контроля качества продукции, суть которой заключалась в обнаружении дефектной продукции и изъятии ее из производственного процесса. Контроль качества продукции состоит в проверке соответствия показателей её качества установленным требованиям. Важными критериями высокого качества деталей машин, механизмов, приборов являются физические, геометрические и функциональные показатели, а также технологические признаки качества, например, отсутствие недопустимых дефектов; соответствие физикомеханических свойств и структуры основного материала и покрытия; соответствие геометрических размеров и чистоты обработки поверхности требуемым нормативам и т.п. Широкое применение неразрушающих методов контроля, не требующих вырезки образцов или разрушения готовых изделий, позволяет избежать больших потерь времени и материальных затрат, обеспечить частичную или полную автоматизацию операций контроля при одновременном значительном повышении качества и надежности изделий. В настоящее время ни один технологический процесс получения ответственной продукции не внедряется в промышленность без соответствующей системы неразрушающего контроля [3]. 3 1. ЗАДАЧИ НЕРАЗРУШАЮЩИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ 1.1. Цель и задачи технической диагностики Уровень безопасности многих отраслей связан со свойствами перерабатываемых веществ, режимами и условиями эксплуатации оборудования, его техническим состоянием. Техническая диагностика является одним из основных элементов системы управления промышленной безопасности в России. Общие требования по безопасности промышленных объектов установлены Федеральным законом Российской Федерации «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» № 116–ФЗ от 20 июля 1997 г. Этот закон обязывает организации, эксплуатирующие опасные производственные объекты (к ним относятся все объекты нефтегазовой промышленности), проводить диагностику и испытания технических устройств, оборудования и сооружений в установленные сроки и в установленном порядке. Диагностика, в том числе с использованием методов неразрушающего контроля, может проводиться как самой эксплуатирующей организацией, так и с привлечением специализированной организации (имеющей соответствующую лицензию) в составе экспертизы промышленной безопасности [1]. Надзор за безопасностью потенциально опасных производственных объектов осуществляется государственными надзорными органами: Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору, МЧС, Минэнерго, ГУПО МВД, каждым по своей части. Техническая диагностика – наука о распознавании состояния технической системы, включающая широкий круг проблем, связанных с получением и оценкой диагностической информации. Согласно ГОСТ 20911–89 техническая диагностика – область знаний, охватывающих теорию, методы и средства определения технического состояния объектов. Интересующими нас объектами являются буровое и газонефтепромысловое оборудование, газонефтепроводы и нефтехранилища. Целью технической диагностики является определение возможности и условий дальнейшей эксплуатации диагностируемого оборудования и в конечном итоге повышение промышленной и экологической безопасности [1]. Задачами технической диагностики, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, являются: 4 • обнаружение дефектов и несоответствий, установление причин их появления и на этой основе определение технического состояния оборудования; • прогнозирование технического состояния и остаточного ресурса (определение с заданной вероятностью интервала времени, в течение которого сохранится работоспособное состояние оборудования). Таким образом, техническая диагностика решает обширный круг задач, многие из которых являются смежными с задачами других научных дисциплин. Основной проблемой технической диагностики является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации. Решение перечисленных задач, особенно для сложных технических систем и оборудования, позволяет получить большой экономический эффект и повысить промышленную безопасность соответствующих опасных производственных объектов. Техническая диагностика благодаря раннему обнаружению дефектов позволяет предотвратить внезапные отказы оборудования, что повышает надежность, эффективность и безопасность промышленных производств, а также дает возможность эксплуатации сложных технических систем по фактическому техническому состоянию. Эксплуатация по техническому состоянию может принести выгоду, эквивалентную стоимости 30% общего парка машин. Надежность эксплуатируемой машины определяется в первую очередь ее техническим состоянием. Согласно ГОСТ 27.002–83 надёжность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Надежность оценивается безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью, ресурсом, а также сочетанием или совокупностью этих свойств. Безотказность – свойство оборудования сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Долговечность – свойство оборудования сохранять работоспособность в заданных условиях эксплуатации вплоть до наступления предельного состояния. Ремонтопригодность – способность оборудования к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и повреждений при проведении технических обслуживании и ремонтов. 5 Ресурс – наработка оборудования от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния. Из-за большого числа конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на надежность, точно ее рассчитать или предсказать нельзя. Надежность можно оценить только приближенно путем расчета с использованием теории вероятностей и математической статистики или специально организованных испытаний, а также сбора эксплуатационных данных об отказах [1]. Для оценки фактического технического состояния и контроля надежности оборудования (его основных узлов) производится анализ данных по временным показателям надежности оборудования – ресурсу, сроку службы, наработке (суммарной – с начала эксплуатации, с момента проведения последнего капитального ремонта). На основе анализа количественных показателей надежности принимается решение о необходимости проведения диагностики оборудования, его ремонта или замены. Уровень количественных оценок различается в зависимости от типа оборудования. Так, для магистральных насосно-перекачивающих станций при снижении величины средней наработки на отказ на 10%, вероятности безотказной работы на 3% оборудование, независимо от выработки назначенного ресурса, подлежит техническому освидетельствованию. Снижение коэффициента технического использования оборудования на 3–5% свидетельствует о необходимости проведения экономической оценки целесообразности его дальнейшей эксплуатации. 1.2. Виды дефектов 1.2.1. Классификация дефектов Техническое состояние оборудования определяется числом дефектов и степенью их опасности [3, 4]. Дефектом называют каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией (ГОСТ, ОСТ, ТУ и т.д.). К несоответствиям относятся нарушение сплошности материалов и деталей, неоднородность состава материала: наличие включений, изменение химического состава, наличие других фаз материала, отличных от основной фазы, и др. Дефектами являются также любые отклонения параметров материалов, деталей и 6 изделий от заданных, таких как размеры, качество обработки поверхности, влаго- и теплостойкость и ряд других физических величин. Дефекты подразделяются на наружные (те, что выявляются глазами) и скрытые (внутренние, подповерхностные, неразличимые глазом). В зависимости от возможного влияния на служебные свойства детали дефекты могут быть [3]: критическими (дефекты, при наличии которых использование продукции по назначению невозможно или исключается по соображениям безопасности и надёжности); значительными (дефекты, существенно влияющие на использование продукции и/или на её долговечность, но не являющиеся критическими); малозначительными (не оказывают влияния на работоспособность продукции). По происхождению дефекты изделий подразделяют на производственно-технологические (металлургические, возникающие при отливке и прокатке, технологические, возникающие при изготовлении, сварке, резке, пайке, клепке, склеивании, механической, термической или химической обработке и т.п.); эксплуатационные (возникающие после некоторой наработки изделия в результате усталости материала, коррозии металла, изнашивания трущихся частей, а также неправильной эксплуатации и технического обслуживания) и конструктивные дефекты, являющиеся следствием несовершенства конструкции из-за ошибок конструктора. Такие дефекты обычно проявляются в начальный период работы оборудования – период приработки. Эксплуатационные дефекты возникают после некоторой наработки в результате износа, накопления усталостных и иных повреждений, а также из-за неправильного технического обслуживания и ремонта. Практика показывает, что можно выделить следующие основные причины накопления дефектов и повреждений, приводящих к отказам оборудования по мере его эксплуатации: сквозные трещины, разрушения и деформации элементов оборудования, возникающие при превышении допускаемых напряжений; механический износ, обусловленный трением сопрягаемых поверхностей; 7 эрозионно-кавитационные повреждения, вызванные воздействием потока жидкости или газа; деградация свойств материалов с течением времени и под воздействием эксплуатационных факторов; коррозия металлов и сплавов, коррозионно-механические повреждения, возникающие под влиянием коррозии, напряжений, трения и т.п. С целью выбора оптимальных методов и параметров контроля производится классификация дефектов по различным признакам: по размерам дефектов, по их количеству и форме, по месту расположения дефектов в контролируемом объекте и т.д. Размеры дефектов могут изменяться от долей миллиметров до сколь угодно большой величины. Практически размеры дефектов лежат в пределах 0,01 мм …. 1 см. В ультразвуковой дефектоскопии, например, величина влияет на выбор рабочей частоты [3, 8]. При количественной классификации дефектов различают три случая (рис. 1.1): а – одиночные дефекты, б – групповые (множественные) дефекты, в – сплошные дефекты (обычно в виде газовых пузырей и шлаковых включений в металлах). а б в Рис. 1.1. Количественная классификация дефектов: а – одиночные; б – групповые; в – сплошные По форме дефекты бывают объемные и плоскостные. Объемные проявляются в виде изменения (искажения) начальной формы или размеров объекта, плоскостные – в виде трещин или полос скольжения. При классификации дефектов по форме различают три основных случая (рис. 1.2): а – дефекты правильной формы, овальные, близкие к цилиндрической или сферической форме, без острых краёв; б – дефекты чечевицеобразной формы, с острыми краями; в – дефекты произвольной, неопределённой формы, с острыми краями – трещины, разрывы, посторонние включения. 8 Форма дефекта определяет его опасность с точки зрения разрушения конструкции. Дефекты правильной формы, рис. 1.2, а, без острых краёв, наименее опасны, т.к. вокруг них не происходит концентрации напряжений. Дефекты с острыми краями, как на рис. 1.2, б и в, являются концентраторами напряжений. Эти дефекты увеличиваются в процессе эксплуатации изделия по линиям концентрации механических напряжений, что, в свою очередь, приводит к разрушению изделия. а б в Рис. 1.2. Классификация дефектов по форме: а – правильная форма; б – чечевицеобразная форма с острыми краями; в – произвольная, неопределённая форма с острыми краями При классификации дефектов по положению различают четыре случая (рис. 1.3): а – поверхностные дефекты, расположенные на поверхности материала, полуфабриката или изделия, – это трещины, вмятины, посторонние включения; б – подповерхностные дефекты – это дефекты, расположенные под поверхностью контролируемого изделия, но вблизи самой поверхности; в – объёмные дефекты – это дефекты, расположенные внутри изделия. Наличие фосфовидных и нитридных включений и прослоек может привести к образованию дефектов четвертого вида – сквозных. а б в Рис. 1.3. Классификация дефектов по положению в контролируемом объекте: а – поверхностные; б – подповерхностные; в – объёмные По форме поперечного сечения сквозные дефекты бывают круглые (поры, свищи, шлаковые включения) и щелевидные (трещины, непровары, дефекты структуры, несплошности в местах расположения оксидных и других включений и прослоек). 9 По величине эффективного диаметра (для дефектов округлого сечения) или ширине раскрытия (для щелей, трещин) сквозные дефекты подразделяются на обыкновенные (>0,5мм), макрокапиллярные (0,5...2–104 мм) и микрокапиллярные (<2–10~4 мм). По характеру внутренней поверхности сквозные дефекты подразделяются на гладкие и шероховатые. Относительно гладкой является внутренняя поверхность шлаковых каналов. Внутренняя поверхность трещин, непроваров и вторичных поровых каналов, как правило, шероховатая. Положение дефекта влияет как на выбор метода контроля, так и на его параметры. Например, при ультразвуковом контроле положение дефекта влияет на выбор типа волн: поверхностные дефекты лучше всего определяются рэлеевскими волнами, подповерхностные– головными волнами, а объёмные – объёмными (продольными) волнами [3]. Опасность влияния дефектов на работоспособность зависит от их вида, типа и количества. Классификация возможных дефектов в изделии позволяет правильно выбрать метод и средства контроля. При определении степени опасности дефекта учитывают напряженное состояние контролируемого изделия, вид дефекта, его размеры и ориентацию относительно действующих напряжений. Основными факторами, определяющими степень опасности дефекта, являются величина утонения герметичных перегородок и коэффициент концентрации механических напряжений (в трещинах – коэффициент интенсивности напряжений), показывающий, во сколько раз максимальные местные напряжения в зоне дефекта выше, чем в бездефектной зоне. Виды допустимых дефектов и их величины приводятся в нормативной документации на контроль соответствующего изделия. Наиболее опасными являются плоскостные трещиноподобные дефекты, располагающиеся перпендикулярно действующим напряжениям. Основным параметром, характеризующим уровень концентрации напряжений в вершинах трещин, является критический коэффициент интенсивности напряжений [3]. Совокупность свойств, определяющих степень пригодности машины для использования по назначению, называется качеством. Эти свойства характеризуются эксплуатационными показателями (мощность, расход топлива, скорость, производительность и т.д.), экономической эффективностью, технологичностью, показателями эстетики и эргономики, надежностью. 10 1.2.2. Дефекты металлических заготовок Дефекты в металлах образуются главным образом при плавлении, при обработке металла давлением (ковка, штамповка и прокат) и при шлифовании [3]. Дефекты плавки и литья. Одним из основных дефектов плавки является несоответствие металла заданному химическому составу, которое обусловливается ошибками при расчёте шихты, неправильным ведением плавления или выгоранием отдельных компонентов сплава. Из-за неправильного питания отливки в процессе кристаллизации образуются усадочные раковины и рыхлоты. Усадочные раковины – это сравнительно большие открытые или закрытые полости произвольной формы с грубой шероховатой, иногда окисленной поверхностью, находящиеся в теле отливки. Усадочные раковины расположены обычно в утолщенных местах отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь. Рыхлота – местное скопление мелких усадочных раковин при крупнозернистой структуре металла. Эти дефекты уверенно обнаруживаются акустическими и радиационными методами контроля. Некоторые сорта металлов, например кипящую сталь, варят так, чтобы растворённые в металле газы выделялись не полностью. Это уменьшает размеры усадочной раковины, но может привести к образованию газовой пористости (рис. 1.4). Пористость – местное скопление газовых пузырей или усадочных раковин [3, 5]. Общими дефектами для слитка и отливки являются неметаллические включения. Это могут быть песчаные или шлаковые раковины, включения частиц окислов, сульфидов, силикатов, нитридов, образующихся внутри металла вследствие взаимодействия компонентов при расплавлении и заливке сплава, как правило, расположенные в виде цепочки или сетки. При превышении определённых размеров перечисленные дефекты недопустимы. При обработке давлением они лишь деформируются (расплющиваются, раскатываются), но не устраняются. 11 Рис. 1.4. Газовые поры Неметаллические включения обнаруживаются радиационными и акустическими методами, а в случае выхода включений на поверхность – методами поверхностной дефектоскопии. Наружные дефекты в виде пленов, неслитин и неспаев обнаруживаются поверхностными методами дефектоскопии, внутренние – акустическим контролем. При обработке слитка давлением эти дефекты не устраняются, а удаляются зачисткой поверхности или вырубанием. Рис. 1.5 Трещины Наиболее опасным дефектом отливок являются горячие и холодные трещины. Характерными признаками горячих трещин являются их неровные (рваные) края и значительная ширина (рис. 1.5). 12 1.3. Виды неразрушающего контроля Типовая программа диагностики предусматривает использование различных методов контроля, прежде всего методов неразрушающего контроля [1]. Неразрушающий контроль требует применения специальных и дорогостоящих приборов и оборудования и привлечения высококвалифицированных аттестованных специалистов. Он может осуществляться как дискретно, так и путем постоянного мониторинга на сложных и дорогостоящих опасных производственных объектах. Для получения информации в неразрушающем контроле (далее НК) используют все виды физических полей и излучений, химических взаимодействий и процессов. Классификация видов НК в соответствии с ГОСТ 18353–79 основана на физических процессах взаимодействия поля или вещества с объектом контроля. В основе решения диагностических задач лежит прежде всего оптимальный выбор физического процесса, дающего наиболее объективную информацию об объекте диагностирования. В зависимости от общности физических принципов, на которых они основаны, различают девять видов НК: акустический, магнитный, тепловой, электрический, оптический, вихретоковый, радиационный, проникающими веществами и радиоволновой. Каждый из видов НК подразделяют на методы, отличающиеся следующими признаками [5]: характером взаимодействия поля или вещества с объектом, определяющим соответствующие изменения поля или состояния вещества; параметром поля или вещества (первичным информативным параметром), измеряемым в процессе контроля; способом измерения параметра поля или вещества. Классификация методов НК приведена в ГОСТ 18353–79. Ни один из методов НК не является универсальным. Каждый из них может быть использован наиболее эффективно для обнаружения определенных дефектов в заданных условиях [8]. Например, многие из методов применимы для контроля некоторых типов материалов: радиоволновые – для радиопрозрачных диэлектрических материалов; электроемкостный – для неметаллических, плохо проводящих ток материалов; вихретоковый, электропотенциальный – для хороших электропроводников; магнитный – для ферромагнетиков; акустический – 13 для материалов, обладающих небольшим затуханием звука соответствующей частоты, и т.д. Чувствительность соответствующего метода НК оценивается наименьшими размерами выявляемых дефектов: для поверхностных – шириной раскрытия на поверхности детали, а также протяженностью и глубиной развития; для скрытых – размерами дефекта и глубиной его залегания. Сопоставление различных методов контроля можно проводить только в тех условиях, когда возможно применение нескольких методов. Перечень рекомендуемых методов НК приводится в нормативно-технических документах по технической диагностике конкретных объектов. Для обеспечения единообразия проведения контроля в различных условиях, единства и требуемой точности получаемых результатов разработана система нормативно-технических документов. Она включает ГОСТы, ОСТы, правила и методики контроля. В них регламентируются классификация методов НК, терминология, основные параметры средств контроля, методы и периодичность их метрологической поверки, методика проведения НК, требования к квалификации персонала и др. Средства неразрушающего контроля разделяют на индикаторные и измерительные. Индикаторными называют средства контроля, не имеющие измерительных узлов и предназначенные лишь для индикации дефектов. Средства контроля, оснащенные измерительными узлами, подлежат периодической метрологической поверке. 1.4. Сравнение разрушающих и неразрушающих методов контроля Ниже приводятся перечни преимуществ и недостатков неразрушающих и разрушающих методов контроля. Преимущества разрушающих методов контроля: 1. Испытания обычно имитируют одно или несколько рабочих условий. Следовательно, они непосредственно направлены на измерение эксплуатационной надежности [3]. 2. Испытания обычно представляют собой количественные измерения разрушающих нагрузок или срока службы до разрушения при данном нагружении и условиях. Таким образом, они позволяют получить числовые данные, полезные для конструирования или для разработки стандартов или спецификаций. 14 3. Связь между большинством измерений разрушающим контролем и измеряемыми свойствами материалов (особенно под нагрузкой, имитирующей рабочие условия) обычно прямая. Следовательно, исключаются споры по результатам испытания и их значению для эксплуатационной надежности материала или детали. Недостатки разрушающих методов контроля: 1. Испытания не проводят на объектах, фактически применяемых в эксплуатационных условиях. Следовательно, соответствие между испытываемыми объектами и объектами, применяемыми в эксплуатации (особенно в иных условиях), должно быть доказано другим способом [3]. 2. Испытания могут проводиться только на части изделий из партии. Они, возможно, будут иметь небольшую ценность, когда свойства изменяются от детали к детали. 3. Часто испытания невозможно проводить на целой детали. Испытания в этом случае ограничиваются образцом, вырезанным из детали или специального материала, обладающих свойствами материала детали, который будет применяться в рабочих условиях. 4. Единичное испытание с разрушением может определить только одно или несколько свойств, которые могут влиять на надежность изделия в рабочих условиях. 5. Разрушающие методы контроля затруднительно применять к детали в условиях эксплуатации. Обычно для этого работа прекращается и данная деталь удаляется из рабочих условий. 6. Кумулятивные изменения в течение периода времени нельзя измерить на одной отдельной детали. Если несколько деталей из одной и той же партии испытывается последовательно в течение какогото времени, то нужно доказать, что детали были одинаковыми. Если детали применяются в рабочих условиях и удаляются после различных периодов времени, необходимо доказать, что каждая была подвержена воздействию аналогичных рабочих условий, прежде чем могут быть получены обоснованные результаты. 7. Когда детали изготовлены из дорогостоящего материала, стоимость замены вышедших из строя деталей может быть очень высока. При этом невозможно выполнить соответствующее количество и разновидности разрушающих методов испытаний. 8. Многие разрушающие методы испытаний требуют механической или другой предварительной обработки испытываемого образца. Часто требуются крупногабаритные, дающие очень точные ре- 15 зультаты, машины. В итоге стоимость испытаний может быть очень высокой, а число образцов для испытаний ограниченным. Кроме того, эти испытания весьма трудоемки и могут проводиться только работниками высокой квалификации. 9. Разрушающие испытания требуют большой затраты человекочасов. Производство деталей стоит чрезвычайно дорого, если соответствующие длительные испытания применяются как основной метод контроля качества продукции. Преимущества неразрушающих методов контроля: 1. Испытания проводятся непосредственно на изделиях, которые будут применяться в рабочих условиях. 2. Испытания можно проводить на любой детали, предназначенной для работы в реальных условиях, если это экономически обосновано. Эти испытания можно проводить даже тогда, когда в партии имеется большое различие между деталями [3]. 3. Испытания можно проводить на целой детали или на всех ее опасных участках. Многие опасные с точки зрения эксплуатационной надежности участки детали могут быть исследованы одновременно или последовательно, в зависимости от удобства и целесообразности. 4. Могут быть проведены испытания многими НМК, каждый из которых чувствителен к различным свойствам или частям материала или детали. Таким образом, имеется возможность измерить столько различных свойств, связанных с рабочими условиями, сколько необходимо. 5. Неразрушающие методы контроля часто можно применять к детали в рабочих условиях, без прекращения работы, кроме обычного ремонта или периодов простоя. Они не нарушают и не изменяют характеристик рабочих деталей. 6. Неразрушающие методы контроля позволяют применить повторный контроль данных деталей в течение любого периода времени. Таким образом, степень повреждений в процессе эксплуатации, если ее можно обнаружить, и ее связь с разрушением в процессе эксплуатации могут быть точно установлены. 7. При неразрушающих методах испытаний детали, изготовленные из дорогостоящего материала, не выходят из строя при контроле. Возможны повторные испытания во время производства или эксплуатации, когда они экономически и практически оправданы. 8. При неразрушающих методах испытаний требуется небольшая (или совсем не требуется) предварительная обработка образцов. 16 Некоторые устройства для испытаний являются портативными, обладают высоким быстродействием, в ряде случаях контроль может быть полностью автоматизированным. Стоимость НМК ниже, чем соответствующая стоимость разрушающих методов контроля. 9. Большинство неразрушающих методов испытания кратковременны и требуют меньшей затраты человеко-часов, чем типичные разрушающие методы испытаний. Эти методы можно использовать для контроля всех деталей при меньшей стоимости или стоимости, сопоставимой со стоимостью разрушающих методов испытаний лишь небольшого процента деталей в целой партии. Недостатки неразрушающих методов контроля: 1. Испытания обычно включают в себя косвенные измерения свойств, не имеющих непосредственного значения при эксплуатации. Связь между этими измерениями и эксплуатационной надежностью должна быть доказана другими способами [8]. 2. Испытания обычно качественные и редко – количественные. Обычно они не дают возможности измерения разрушающих нагрузок и срока службы до разрушения даже косвенно. Они могут, однако, обнаружить дефект или проследить процесс разрушения. 3. Обычно требуются исследования на специальных образцах и исследование рабочих условий для интерпретации результатов испытания. Там, где соответствующая связь не была доказана, и в случаях, когда возможности методики ограничены, наблюдатели могут не согласиться в оценке результатов испытаний. Контрольные вопросы 1. В каких случаях необходимо применение НМК? 2. Какие основные виды НМК существуют? 3. Каковы требования, предъявляемые к НМК? 4. В чем, на ваш взгляд, состоит основная задача системы контроля качества продукции? 5. Какие основные критерии эффективности НМК вы знаете? 6. Чем определяется надежность системы контроля качества? 7. Какие виды отказов системы контроля качества вы можете назвать? 8. С какой целью введена система классов чувствительности и групп качества? 9. Какие основные недостатки характерны НМК? 10. Каковы основные недостатки разрушающих методов контроля? 17 2. ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ 2.1. Общие вопросы оптического неразрушающего контроля Оптический неразрушающий контроль основан на взаимодействии светового излучения с контролируемым объектом и регистрации результатов этого взаимодействия. В оптическом контроле используются электромагнитные волны от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК) диапазонов, но в основном применяют излучение видимого диапазона (ВИ) с длиной волны 0,2–0,5 мкм. Оптические методы контроля условно можно разделить на три группы [3, 7]: 1. Визуальный и визуально-оптический методы отличаются простотой и доступностью и поэтому имеют наибольшее распространение. Вместе с тем результаты контроля в этом случае в наибольшей степени определяются личными качествами оператора: его зрением, умением, опытом. 2. Фотометрический, спектральный, телевизионный в основном строятся на результатах аппаратурных измерений и обеспечивают меньшую субъективность контроля. 3. Интерференционный, дифракционный, поляризационный, голографический, рефрактометрический используют волновые свойства света и позволяют производить неразрушающий контроль объектов с чувствительностью до десятых долей длин волн источника излучения. С помощью оптических методов можно выявлять внутренние дефекты в прозрачных и полупрозрачных телах. Если же материал объекта непрозрачен, у такого объекта можно проверить состояние внешних и внутренних поверхностей или размеров. В зависимости от свойств материалов контролируемого объекта оптический контроль осуществляется в отраженном, прошедшем или рассеянном излучении. Параметры источников света (интенсивность, спектр, направление, поляризация и т.д.) выбирают исходя из конкретных условий, чтобы обеспечить максимальный контраст изображения [8]. Контрастом изображения дефекта (КД) называют перепад яркости на дефектном участке и окружающем дефект фоне КД (ВФ ВД ) ВФ r , где ВФ , ВД – яркость изображения дефекта и фона, кд/м². 18 (2.1) 2.2. Источники света и первичные преобразователи оптического излучения Для получения световых потоков используют электрические лампы накаливания, газоразрядные и люминисцентные лампы, светодиоды и оптические квантовые генераторы. Наибольшее распространение в оптическом контроле имеют лампы накаливании в специальном исполнении. Лампы накаливания испускают свет за счет нагрева электрическим током проводника в виде спирали из тугоплавкого материала, которая смонтирована в колбе – вакуумированной или заполненной инертным газом (криптон, ксенон). Спектр излучения ламп накаливания непрерывен. Наибольшей световой отдачей среди ламп накаливания обладают галогенные лампы (внутри колбы в газовой смеси присутствуют пары галогенов – обычно иода или брома). Лампы накаливания отличаются разнообразием конструкций, электрическими параметрами и мощностью, спектральным составом, удобством использования. Недостатком ламп накаливания является сравнительно небольшой срок службы, ограничиваемый испарением металла нити накаливания, и малый КПД. Газоразрядные лампы используют световой эффект, появляющийся при возникновении электрического разряда в газах. Эти лампы имеют высокую световую отдачу и большой срок службы. В люминисцентных лампах ультрафиолетовое излучение паров ртути преобразуется люминофором, нанесенным на внутреннюю поверхность колбы, в излучение видимого света, близкое к естественному дневному свету. Спектр излучения газоразрядных ламп близок к линейчатому. Светоизлучающие диоды являются малогабаритными полупроводниковыми источниками видимого или инфракрасного света, обычно близкого к монохроматическому. Они построены на основе полупроводниковых материалов, легированных малыми количествами примесей, специально подбираемых для получения света необходимой длины волны. При подключении к источнику питания (1 – 5 В) электроны и дырки, двигаясь навстречу друг другу, будут рекомбинировать в зоне p–n перехода, испуская при этом фотоны. Они создают световые потоки небольшой величины, поэтому используются только в некоторых малогабаритных устройствах. Оптические квантовые генераторы (лазеры) представляют собой источники света, работающие на основе процесса вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воз- 19 действием фотонов внешнего излучения. Уникальными свойствами квантовых генераторов являются: высокая когерентность излучения, высокая монохроматичность, узкая направленность пучка излучения, огромная концентрация потока мощности (до 10 Вт/м²) и способность фокусироваться в очень малые объемы (порядка λ³). Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания. В оптическом контроле лазеры могут применяться как источники узкого монохроматического пучка света при решении контрольно-измерительных задач, в которых требуется повышенная точность, но главные области их применения, где они незаменимы, связаны с использованием волновых свойств света – интерференция, дифракция и т.д. При создании автоматизированных устройств неразрушающего оптического контроля качества промышленной продукции широко используются различные преобразователи оптического излучения в электрический сигнал: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, вакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители, матрицы на основе полупроводников. 2.3. Визуальный и визуально-оптический контроль качества Визуальный контроль (осмотр невооруженным глазом) – простейший и общедоступный вид неразрушающего контроля, обеспечивающий высокую производительность и удовлетворительное качество контроля. Глаз человека исторически являлся основным контрольным прибором в дефектоскопии. Глазом контролируют исходные материалы, полуфабрикаты, готовую продукцию, обнаруживают отклонения формы и размеров, изъяны поверхности и другие дефекты в процессе производства и эксплуатации: остаточную деформацию, пористость поверхности, крупные трещины, подрезы, риски, надиры, следы наклёпа, раковины и т.д. Однако возможности глаза ограничены, например при осмотре быстро перемещающихся объектов или удалённых объектов, находящихся в условиях малой освещённости. Даже при осмотре предметов, находящихся в покое на расстоянии наилучшего зрения в условиях нормальной освещённости, человек может испытывать трудности изза ограниченной разрешающей способности и контрастной чувствительности зрения. 20 Для расширения возможностей глаза используют оптические приборы. Они увеличивают угловой размер объекта, при этом острота зрения и разрешающая способность глаза увеличиваются примерно во столько же раз, во сколько увеличивает оптический прибор. Это позволяет увидеть мелкие дефекты, невидимые невооружённым взглядом, или их детали. Однако при этом существенно сокращается поле зрения и глубина резкости, поэтому обычно используются оптические приборы кратностью не более 20–30. Оптические приборы эндоскопы позволяют осматривать детали и поверхности элементов конструкции, скрытые близлежащими деталями и недоступные прямому наблюдению. Визуальный контроль с использованием оптических приборов называют визуально-оптическим. Визуально-оптический контроль и визуальный осмотр – наиболее доступный и простой метод обнаружения поверхностных дефектов деталей. Основные преимущества этого метода – простота контроля, несложное оборудование, сравнительно малая трудоёмкость. Главной особенностью способа является активная роль оператора в его проведении и получении достоверных результатов. Он особенно эффективен при контроле объектов сравнительно большого размера при необходимости выявления грубых дефектов и отклонений формы, размеров и оптических характеристик. Поэтому необходимо учитывать особенности зрения человека. Наибольшая чувствительность глаза и наименьшая утомляемость соответствует длине волны 0,56 мкм (желто-зеленый цвет) и яркости 10–100 кд/м², поэтому этой спектральной составляющей следует отдавать предпочтение при контроле. Минимальные размеры различимых деталей изображения контролируемых объектов определяются остротой зрения оператора и условиями контроля. Острота зрения снижается при длительной работе глаз, а также с уменьшением яркости освещения контролируемого объекта. По яркости глаз уверенно различает 10 – 15 градаций, а по цвету – до 200 оттенков. Поэтому визуальный контроль более надежен, если дефект и фон имеют разный цвет. Ориентировочно полагают, что при визуальном контроле оператор с нормальным зрением при оптимальном освещении на расстоянии наилучшего зрения уверенно обнаруживает дефекты с минимальным размером 0,1 мм в плоскости, перпендикулярной линии наблюдения. 21 Визуально-оптический контроль – это контроль с применением оптических средств, позволяющих существенно расширить пределы естественных возможностей человека. Усилить возможности человека позволяют лупы, микроскопы, телескопические устройства, эндоскопы и другие технические средства. Главным недостатком визуальнооптического контроля является снижение производительности труда при контроле. К недостаткам следует отнести низкую достоверность и чувствительность, поэтому такой метод контроля применяют в следующих случаях: для поиска поверхностных дефектов (трещин, пор, открытых раковин и т.п.) при визуально-оптическом контроле деталей, доступных для непосредственного осмотра, а также более мелких трещин при цветном, капиллярном, люминесцентном, магнитопорошковом и рентгенографическом контроле; для обнаружения крупных трещин, мест разрушения конструкций, течей, загрязнений, посторонних предметов внутри закрытых конструкций; для анализа характера и определения типа поверхностных дефектов, обнаруженных при контроле каким-либо другим методом дефектоскопии (акустическим, токовихревым и т.д.). Следует помнить, что дефекты даже относительно больших размеров, невидимые невооружённым глазом из-за малого контраста с фоном, при использовании оптических приборов, как правило, не обнаруживаются. 2.4. Приборы ВОК По виду приёмника лучистой энергии различают три группы оптических приборов: визуальные, детекторные и комбинированные. У визуальных приборов приёмник – глаз (сведения о некоторых характеристиках зрения, которые следует учитывать при ВОК). Это обзорные эндоскопы, лупы, микроскопы и т.п. К детекторным приборам относятся приборы, в которых приёмником служат различные детекторы: химические реагенты (фотоэмульсии), люминесцирующие вещества, спектрометры и т.д. Комбинированные приборы пригодны для обзора объекта визуально и с помощью детектора. По назначению приборы ВОК делятся на три группы: 1)приборы для контроля мелких близкорасположенных объектов, находящихся от глаз контролёра в пределах расстояния наилучшего зрения l <= 250 мм (лупы, микроскопы); 22 2)приборы для контроля удалённых объектов (l > 250 мм) – телескопические лупы, бинокли, зрительные трубы, нивелиры и тахеометры; 3)приборы для контроля скрытых объектов (эндоскопы, бороскопы, перископические дефектоскопы). Различают также приборы цехового назначения и приборы полевого использования. Приборы цехового назначения применяются при постоянной температуре от +15° до +20°С, нормальном атмосферном давлении, невысокой влажности. Приборы полевого назначения должны работать в условиях температуры от –55° до +60°С, при тряске, вибрациях, при осадках и т.д. В защитном корпусе (ящике) должны быть предусмотрены устройства для прочного крепления всех деталей приборов ВОК, полости приборов должны быть надёжно защищены от проникновения влаги, выполнены из коррозионно-стойких материалов и иметь атмосферостойкие защитные покрытия. Приборы должны иметь малую массу, быть пригодными к переноске, иметь удобно расположенные ручки панели управления. Должны быть предусмотрены устройства для уменьшения отрицательного влияния рассеянного света (бленды, диафрагмы, светопоглощающая отделка деталей). Применяют наглазники (налобники), защищающие глаза от попадания постороннего света и снижающие утомляемость глаз. Важное значение имеют внешний вид и форма прибора, особенно эндоскопа. Он не должен иметь выступающих элементов и резких переходов в сечении погружаемой части, затрудняющих ввод в проверяемый механизм и вывод его оттуда. Достоверность визуально-оптического контроля определяется многими факторами, среди которых большое значение имеют условия труда. Рабочее место должно быть рассчитано, как правило, на работу сидя. Вентиляция, отопление, освещение должны обеспечивать комфортные условия труда. Освещенность на рабочем месте для контроля и система искусственного освещения выбираются в зависимости от цвета и яркости проверяемых деталей, размеров отыскиваемых дефектов и их контраста с фоном. Лампы для местного освещения необходимо размещать так, чтобы прямые лучи не попадали в глаза контролера. Край плафона или отражателя должен размещаться несколько ниже уровня глаз контролера. Материал и цвет покрытия рабочего стола выбирают так, чтобы уменьшить яркостные контрасты в поле 23 зрения контролера и ускорить переадаптацию при чередовании наблюдения деталей и фона, а также не допустить слепящего действия света, отраженного от покрытия. Поверхность стола не должна быть белой, ее нельзя покрывать стеклом. Цвет основных поверхностей рабочего помещения должен обеспечивать оптимальные условия труда контролера. Для глаза наиболее приятны светлые тона желтой, зеленой и частично голубой зон спектра при слабой и средней их насыщенности. Потолки и верхнюю часть стен можно окрашивать в белый цвет. Для контроля удалённых объектов используются телескопические приборы прямого зрения – телескопические лупы, зрительные трубы, бинокли. Такие приборы применяют для контроля деталей сложной формы (с глубокими выемками, отверстиями, пазами), а также деталей и силовых элементов конструкций, находящихся в пределах прямой видимости, но расположенных на расстоянии, превышающем расстояние наилучшего зрения. Обычно используется увеличение кратностью от 1 до 20–30. Если необходимо большое поле зрения, используются приборы, дающие уменьшенное изображение (от 0,5 до 1). Простейший эндоскоп состоит из телескопической системы и плоского зеркала или призмы, размещаемой перед объективом и отклоняющей лучи на определённый угол. Эндоскопы с подвижным зеркалом позволяют производить практически полный осмотр закрытых конструкций. Зеркало может быть размещено также в средней части прибора, между объективом и окуляром. Такие коленчатые приборы используют, когда каналы для ввода оптического прибора внутрь осматриваемой закрытой конструкции искривлены. Бинокли и телескопические лупы применяют для осмотра удаленных деталей механизмов и машин в полевых и цеховых условиях. Бинокли наиболее эффективны при осмотре объектов, находящихся в зоне прямой видимости на расстоянии более 3–5 м. Бинокли имеют устройство для изменения фокусировки, которое позволяет получать отчетливое изображение объектов, находящихся на различных расстояниях от контролера. Биноклями можно пользоваться при температуре от –40 до +45°С. Для осмотра внутренних поверхностей сравнительно коротких полых деталей используются оптические трубки цитоскопов, бронхоскопов и т.п. 24 Цитоскоп – тонкая трубка с оптической системой – имеет устройство, позволяющее изменять положение объектива и направление осмотра полостей диаметром более 8 мм и глубиной до 200 мм при увеличении 1,1–1,8. Оптическая система, как правило, состоит из сменных окуляров, объективов и оборачивающих систем. Может быть предусмотрена подсветка на конце трубки. Гибкие телескопические приборы включают в себя наборы стекловолокон. Основным элементом волоконной оптики является световод, представляющий собой сердечник из оптического стекла с высоким показателем преломления пс с оболочкой также из оптического стекла, но с меньшим показателем преломления пп. Лучи света, падающие на один торец такого световода, благодаря полному внутреннему отражению распространяются вдоль волокна до другого торца. Важным преимуществом волоконной оптики является возможность передачи световой энергии по криволинейным каналам, свободно ориентированным в пространстве. Предельно допускаемый радиус изгиба световода при прохождении лучей без вытекания мод зависит от показателей преломления сердечника и оболочки. За единицу измерения радиуса изгиба световода условно принят радиус самого световода. Чем больше разница в показателях преломления сердечника пс и оболочки пп, тем меньше предельно допустимый радиус изгиба световода. Одной из особенностей волоконной оптики является разложение изображения на элементарные площадки размером, равным диаметру световода (от единиц до десятков микрон), и передача их по отдельным световодам, изменяющим форму и положение в пространстве, на значительные расстояния (до сотен метров). Это расстояние зависит от светопропускания световодов, определяемого коэффициентом светопропускания Т. Единичный световод передает только световую энергию, а для передачи изображения применяются жгуты из регулярно уложенных и склеенных или спеченных световодов. В осветительных жгутах оптические волокна расположены беспорядочно; в жгутах для передачи информации волокна располагаются идентично на обоих концах жгута. На выходном конце получается мозаичное изображение. Коэффициент светопропускания жгута длиной 1 500–500 мм составляет для белого света 25–50%. Разрешающая способность жгута 25 длиной около 1 м составляет 12–15 линий на 1 мм; коротких жгутов – около 20 линий на 1 мм. Диаметр волокон для жгутов обычно составляет 20–50 мкм, в ряде случаев 12 мкм; диаметр жгута обычно лежит в пределах от 5 до 40 мм. На рис. 2.1 представлена схема интроскопа с раздельными информационным и осветительным каналами. Такая конструкция способствует расширению доступности в зоны ограниченных габаритов, однако усложняет пользование интроскопом необходимостью синхронного управления осветительным и информационным жгутами. На схеме оптическое излучение создается источником 1, передается по гибкому световоду 2, отражается от объекта 3 и воспринимается жгутом 4. Изображение считывается через окуляр наблюдателем 5 или отображается, например, на транспоранте 6. Рис. 2.1. Схема интроскопа с раздельными информационным и осветительным каналами: 1 – источник; 2 – световод; 3 – объект отражения; 4 – жгут; 5 – окуляр наблюдателя; 6 – транспорант Эндоскопы – это оптические устройства, снабженные осветителем и оптической системой для осмотра внутренней поверхности объекта контроля. На рис. 2.2 представлен один из вариантов наконечника эндоскопа. Конструктивно жесткие эндоскопы представляют собой линзовую конструкцию, при этом оптическая передающая система смонтирована внутри прямой трубки соответствующей длины. Жесткие эндоскопы имеют рабочую длину до 1 500 мм и диаметры рабочей части 1,7; 2; 2,7; 4; 6; 8 и 10 мм. Оптическая трубка эндоскопов может вращаться на 360°. Направление обзора может быть прямым, а также составлять с осью эндоскопа угол 0, 30, 45, 70, 90 и 110°. Такие эндо- 26 скопы пригодны для работы как в воздушной среде, так и в среде нефтепродуктов, гидравлических жидкостей, большинства промышленных растворителей, а также в воде. Основными недостатками жестких эндоскопов являются их большие габаритные размеры и невозможность контроля криволинейных внутренних поверхностей. Рис. 2.2. Концевая часть бокового эндоскопа: 1 – осветительный световод; 2 – осветительная оптическая система; 3 – объектив; 4 – обзорный световод; 5 – защитная оболочка Эти недостатки устранены в гибких эндоскопах, где для передачи света и изображения используются волоконно-оптические световоды и жгуты из них. Элементарным волоконным световодом является тонкая нить диаметром 10–20 мкм, выполненная из двух оптически прозрачных слоев круглого поперечного сечения: сердечника и оболочки толщиной 1–3 мкм. Оболочка изготовлена из стекла с меньшим показателем преломления, чем сердечник. За счет этого лучи света, попадая в сердечник и испытывая полное отражение от его границы с оболочкой, передаются вдоль световода. Для передачи световых потоков или изображений элементарные световоды объединяют в жгуты, помещенные в специальные чехлы– оболочки. Жгуты бывают двух видов: регулярные и осветительные. В регулярных жгутах волокна световодов в поперечном сечении укладываются так, что на входном и выходном торцах жгута их расположение одинаково, что позволяет переносить изображение без искажений. Осветительные жгуты могут иметь произвольное расположение волокон и предназначены для передачи света, структура которого по поперечному сечению однородна или не имеет значения. 27 Для расширения поля обзора оптоволоконных эндоскопов они обычно снабжаются дистальными концами с возможностью их артикуляции (изгиба дистального конца) в двух или четырех плоскостях, что позволяет наряду с переменным увеличением работать с разными углами и направлениями обзора. В качестве примера на рис. 2.2 приведен общий вид оптоволоконного эндоскопа и четырехсторонняя схема артикуляции дистального конца. Гибкие оптоволоконные эндоскопы имеют диаметр зонда 2,4– 12,4 мм и длину рабочей части 0,5–3 м. При большей длине рабочей части из-за многократного переотражения от границ сердечника с оболочкой происходит интенсивное затухание света при передаче его по световоду. В отличие от гибких оптоволоконных эндоскопов дистальный конец видеоэндоскопов (гибких телевизионных эндоскопов) оснащается объективом и ПЗС-матрицей с высокой разрешающей способностью. Система передачи изображения эндоскопов помимо объектива и ПЗС-матрицы включает также кабель передачи сигнала, блок преобразования сигнала и видеомонитор с функцией измерения. Подсветка зоны осмотра осуществляется с помощью сверхъярких светодиодов, за счет чего видеоэндоскопы изготовляются с длиной рабочей части до 30 м. Дополнительно к видеоэндоскопам посредством оптико-механического адаптера могут подключаться видеокамеры или цифровые фотоаппараты, позволяющие документировать результаты контроля. Для измерения больших дефектов, линейных размеров объекта и отклонения его от заданной геометрической формы используют геодезические оптико-электронные и лазерные приборы. Световоды изготавливаются из оптических волокон, собранных в жгуты. На рис. 2.3 представлена конструкция гибкого эндоскопа в процессе контроля объекта (КО). Основу этого эндоскопа составляют обзорный световод РЖ и осветительный ОЖ, оптика объектива ОБ и окуляра ОК. В оптико-электронных системах контроля глаз заменяет фотоэлемент. В общем случае оптико-электронная система состоит из устройства восприятия (сканер), устройства изображения, логической схемы анализа изображения и механизма разбраковки продукции. По принципу сканирования обзорно-поисковые устройства разделяются 28 на устройства поэлементного, последовательно-зонального, параллельно-зонального и зонально-поэлементного сканирования. Рис. 2.3. Конструкция эндоскопа ОД–20Э В первой из систем сканирование КО осуществляется в любой последовательности по каждому элементу поля зрения. Возможен полный просмотр контролируемого поля и воспроизведение полного изображения поля. В устройстве последовательно-зонального сканирования сканирование носит не дискретный, а непрерывный характер. К таким системам относятся, например, телевизионные системы. Устройство позволяет воспроизводить полное изображение сканируемого объекта. В устройствах параллельно-зонального сканирования сканирование осуществляется одновременно с помощью двух взаимно перпендикулярных щелей; каждая щель имеет свой светочувствительный элемент и свой канал передачи информации; полное изображение сканируемого объекта не воспроизводится. Устройство зональнопоэлементного сканирования работает в два этапа: сначала осуществляется сканирование по зонам и выясняется, в какой зоне находится дефект, после этого выполняется поэлементное сканирование конкретной зоны. По принципу действия сканирующие устройства могут быть оптико-механические, оптико-электрические, полупроводниковые, фотоэлектронные вакуумные, волоконно-оптические. В оптико-механических системах используются подвижные сканирующие элементы отражательной и преломляющей оптики – 29 зеркальные элементы различной формы, клинья, многогранные барабаны, линзы, призмы, совершающие вращательное, колебательное или возвратно-поступательное движение. Наличие подвижных механических систем, повышенная сложность и малая надежность при длительной эксплуатации являются недостатками этих устройств. Остальные системы просты, надежны и обеспечивают четкость изображения. Сканирование осуществляется по изменяющейся траектории электронным способом. 2.5. Оптический контроль, использующий волновую природу света Интерференционные методы контроля качества. Отличительной чертой этих методов является взаимодействие двух потоков света. Интерференционные методы обеспечивают измерение, и контроль параметров объектов до долей длины волны. Обычно разрешающая способность такой аппаратуры составляет 0,1λ. Для целей неразрушающего контроля могут применяться интерферометры – стандартные измерительные приборы, распространенные в технике точных геометрических измерений. Они позволяют измерять различные геометрические размеры, в том числе толщины прозрачных покрытий, с погрешностью 0,1 мкм, шероховатость и неровности на исследуемой поверхности такого же порядка. На рис. 2.4 показана схема интерферометра для контроля качества поверхности объекта путем сравнения с эталоном поверхности. Источник света ИС (лазер) с помощью конденсора Л1–Л2 формирует световой поток. Выделенная монохроматическим фильтром Ф и диафрагмой Д1 его часть попадает на полупрозрачное зеркало З1 и делится на два когерентных пучка. Один из пучков фокусируется на контролируемый объект КО, помещенный на предметный столик ПС, а другой – на поверхность эталонного зеркала З2. Отраженные лучи через микрообъективы МО1 и МО2 и полупрозрачное зеркало З1 попадают в окуляр Л3 и Л4, содержащий ряд линз и ограничивающую диафрагму Д2. Налагаясь в поле зрения, рабочий и эталонный световые потоки образуют интерференционную картину. Пример такой картины при наличии дефектов на рабочей поверхности представлен на рис. 2.5. Голографические методы. Уникальные свойства лазерного излучения сделали реальным применение голографических методов в неразрушающем контроле. 30 Рис. 2.4. Конструктивная схема интерферометра Рис. 2.5. Интерференционная картина при наличии выступа и впадины на поверхности объекта контроля Голограмма – это полученная определенным образом фотопластинка с запечатленными на ней интерференционными линиями. При освещении этой пластинки когерентным лучом формируется поток света, создающий видимое объемное изображение сфотографированного объекта. 31 Голографические методы оказались эффективными для проведения неразрушающего контроля в следующих случаях: 1. Контроль геометрических размеров, оптических свойств и обнаружение дефектов у высококачественных полуфабрикатов и изделий путем сравнения с эталоном. Требование высококачественности объекта предполагает высокую точность изготовления и чистоту обработки поверхности, так как отличие от эталона на четверть длины волны искажает голографическую картину. 2. Анализ микроперемещений и изменений участков деталей во времени. Такой анализ проводится путем сравнения сделанной ранее голограммы с его настоящим состоянием. При этом удается обнаружить необратимые изменения в виде микротрещин и усталостных изменений. 3. Контроль изделий в динамических режимах, вызванных механическим нагружением, нагревом или вибрационными нагрузками. В этих случаях происходит изменение геометрии изделия и проводится сравнение нового состояния изделия с его прежним голографическим изображением. Таким методом контролируют сосуды, мембраны, однослойные и многослойные изделия ответственного назначения и т.д. При нагружении изделия в областях, ослабленных дефектом, деформация оказывается несколько большей, что приводит к искажению интерференционных линий (рис. 2.6). 4. Контроль качества прозрачных и полупрозрачных объектов, трудно отличимых от фона. 5. Изучение микроструктуры поверхности изделий. Низкое качество поверхности по сравнению с эталоном приводит к ухудшению четкости голограммы. Лазерные методы контроля. Принцип действия приборов лазерной оптической дефектоскопии основан на использовании различных эффектов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Приборы регистрируют изменения оптических характеристик объектов контроля. Лазерная дефектоскопия базируется на использовании основных свойств лазерного излучения – монохроматичности, когерентности и направленности. Принцип определения поверхностных дефектов с помощью лазерных дефектоскопов заключается в следующем. Поверхность, свободная от дефектов, дает определенную плотность распределения рассеяния, причем вид этого рассеяния примерно одинаков для каждой точки поверхности. Дефекты поверхности изменяют вид распре- 32 деления рассеяния излучения. Разные виды дефектов приводят к различному изменению плотности распределения пучка рассеянного излучения. а б Рис. 2.6. Голографическая интерферограмма при наличии дефекта: а – до нагружения, б – после нагружения Для определения поверхностных дефектов протяженных объектов применяют сканирование его поверхности лазерным лучом, изменение положения которого в пространстве может осуществляться, например, с помощью вращающихся или вибрирующих зеркал. В типовой схеме контроля протяженных объектов (лента бумаги, полимерная пленка, листы стального проката) с помощью зеркального барабана производится сканирование изделия по строкам в направлении, перпендикулярном к его перемещению. Сканирование по длине изделия происходит за счет его собственного движения. Частота строчного сканирования определяется минимально обнаруживаемыми дефектами. Излучение лазера после отражения от объекта направляется оптической системой на фотоумножитель, преобразуется в электрический сигнал и поступает на блок электронной обработки сигнала [8]. Схему лазерного сканирующего микроскопа – зонда можно использовать для регистрации не отраженного от объекта излучения лазера, а возбужденного им в полупроводнике фотоэлектрического эффекта (фотоответ). Контрольные вопросы 1. В чём заключаются основные преимущества и недостатки методов ВОК? 33 2. Что понимается под видимостью объекта и от каких факторов она зависит? 3. Что такое острота зрения? Какие факторы влияют на остроту зрения? 4. От чего зависит разрешающая способность глаза? 5. Как классифицируются приборы ВОК? 6. Чем ограничивается минимальный размер дефекта, обнаруживаемого невооруженным глазом в качестве единичного? 7. Дефекты какого цвета выявляются в первую очередь? В последнюю очередь? 8. Из каких основных элементов состоят оптико-электронные системы контроля? 9. От каких факторов зависит достоверность ВОК? 10. В чем заключается принцип определения дефектов с помощью лазерного дефектоскопа? 11. Какова область применения голографической интерферометрии? 34 3. КАПИЛЛЯРНЫЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ 3.1. Физическая основа метода Неразрушающий контроль проникающими веществами основан на проникновении веществ в полости дефектов контролируемого объекта. Контроль проникающими веществами как вид неразрушающего контроля в зависимости от типа выявляемых дефектов разделяют на два подвида: • капиллярный – для выявления поверхностных дефектов; • течеискание – для выявления сквозных дефектов. В свою очередь капиллярный нерузрушающий контроль (КНК) и течеискание разделяют на методы в зависимости от вида первичного информативного параметра (типа проникающего вещества) и способа получения первичной информации. КНК обычно используют для обнаружения дефектов, не видимых невооруженным глазом. Его абсолютную чувствительность определяют средним раскрытием дефекта типа трещин длиной 3–5 мм, выявляемого с заданной вероятностью (рис. 3.1). Индикаторные рисунки, образующиеся при контроле, либо обладают способностью люминесцировать в ультрафиолетовых лучах, либо имеют окраску, вызываемую избирательным поглощением (отражением) части падающих на них световых лучей. Линии индикаторного рисунка имеют ширину от 0,05 до 0,3 мм, яркостный контраст 30–60% и более, а также высокий цветовой контраст. Это значительно выше соответствующих параметров поверхностных дефектов, обнаруживаемых визуально. При КНК ставятся следующие задачи: обнаружение дефекта, определение направления дефекта относительно конфигурации детали, определение размеров и формы дефекта. Основными объектами КНК являются неферромагнитные материалы: детали приборов и аппаратов нефтяной и химической промышленности (например, для выявления поверхностных дефектов корпусов вертлюгов, щек талевых блоков, буровых крюков и др.), лопатки турбин из никелевых сплавов, в том числе авиационных турбин; титановый крепеж для летательных и космических аппаратов; литые детали из цветных металлов для электроники и систем автоматического управления. 35 Капиллярные методы контроля предназначены для обнаружения невидимых или слабовидимых невооруженным глазом дефектов, выходящих на поверхность, и позволяют контролировать изделия любых форм и размеров, изготовленных как из металлических, так и неметаллических материалов. Имеют ограниченное применение для сварных швов, так как требуют предварительной механической обработки их поверхности с целью удаления чешуйчатости, брызг, окалины и обеспечения плавных переходов между основным и наплавленным металлом. Рис. 3.1. Трещина на образце, обнаруженная КНК в процессе испытаний на усталость Капиллярный контроль осуществляется путем нанесения жидких проникающих веществ, называемых пенетрантами, их проникновения в полости поверхностных и сквозных дефектов и регистрации образующихся на поверхности объекта контроля индикаторных следов [1]. Глубина дефектов, обнаруживаемых КНК, должна значительно превышать их ширину. Если ширина поверхностного повреждения больше его глубины (риска, царапина), то оно легко заполняется пенетрантом и так же легко удаляется из повреждений. Такие дефекты, как правило, КНК не выявляются. Важнейшим свойством пенетрантов является их способность к смачиванию материала объекта контроля. Явление смачивания вызывается силами взаимного притяжения атомов или молекул жидкости либо твердого тела. При контакте жидкости с твердым телом возможны два случая: смачивание и несмачивание поверхности (рис. 3.2). При смачивании жидкость растекается по поверхности, а при несмачивании собирается в каплеобразную форму. При погружении капиллярной трубки в 36 смачиваемую или несмачиваемую жидкость в трубке соответственно образуется вогнутый или выпуклый мениск (рис. 3.3). а б Рис. 3.2. Смачивание (а) и несмачивание (б) поверхности твёрдого тела жидкостью Рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твёрдого тела. В точке А соприкасаются три фазы – твёрдая, жидкая и газообразная. Соответственно возникают три поверхностные силы: твёрдое тело–газ – Fтг, твёрдое тело–жидкость – Fтж и жидкость–газ – Fжг. Когда капля находится в состоянии покоя, равнодействующая проекций этих сил на поверхность равна нулю: Fжг cos – Fтг+ Fтж=0, (3.1) F FТЖ , (3.2) cos ТГ FЖГ где – краевой угол смачивания. Если Fтг>Fтж, то угол 900 . Это значит, что жидкость смачивает твёрдое тело (рис. 3.3, а) – чем меньше , тем сильнее смачивание. Предельный случай будет соответствовать полному смачиванию, т.е. растеканию жидкости по всей поверхности твёрдого тела. Если Fтж>Fтг, то угол cos<0, следовательно, угол 900 (рис. 3.3, б). Это означает, что жидкость не смачивает твёрдое тело. Для большинства хорошо смачивающих веществ cos близок к единице. Например, для границы стекла с водой cos =0,685, с керосином cos=0,90, с этиловым спиртом cos=0,955. Большое влияние на смачивание поверхности оказывает наличие загрязнений. Например, слой масла на поверхности стали или стекла резко ухудшает смачивание ее водой, и cos G при этом становится отрицательным. Разница сил Fтг и Fтж называется силой смачивания, действующей на единицу длины поверхности: Fтг– Fтж= Fжг cos. (3.3) 37 При попадании смачивающей жидкости в полости дефектов малых размеров жидкость под действием силы смачивания проникает внутрь этих полостей. В качестве примера рассмотрим капиллярную трубку диаметром 2·r, погруженную в смачивающую жидкость (рис. 3.4). Под действием сил смачивания жидкость в трубке образует вогнутый мениск и поднимается на некоторую выа б соту h над поверхностью. СумРис. 3.3. Образование вогнутого (а) и выпуклого менисков (б) в капиллярной марная сила смачивания, действующая на длине окружности метрубке, наполненной соответственно смачивающей и несмачивающей ниска, в состоянии равновесия жидкостями уравновешивается весом столба жидкости: Fжг cos2r=gr2h, (3.4) где – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения. Оценим давление Р, создаваемое силой смачивания. Для этого разделим обе части равенства на площадь трубки: P отсюда 2 FЖГ cos gh r (3.5) 2 FЖГ cos . r g (3.6) h Таким образом, чем меньше радиус капилляра, тем больше капиллярное давление Р и высота подъема h. Рассмотрим процесс проникновения смачивающей жидкости (пенетранта) вглубь тупиковой трещины [5, 8]. После пропитки объекта контроля и удаления излишков пенетранта с его поверхности в тупиковой трещине образуются два мениска (рис. 3.5): в устье радиусом r1 и вблизи вершины трещины – радиусом r2, при этом Р2 > Р1. Разность давлений, вызванных различием r2, и r1 составляет P P2 P1 . (3.7) 38 Дальнейшему продвижению пенетранта вглубь трещины под действием P препятствует давление сжатого воздуха в замкнутом объеме вблизи вершины трещины, уравновешивающее P . Величина P определяет чувствительность метода и возрастает с увеличением различия радиусов менисков r1 и r2. Отсюда следует, что глубокие, расширяющиеся к устью дефекты будут выявляться лучше. Рис. 3.4. Схема к расчету капиллярного Смачивающие жидкости давления (пенетранты) заполняют узкие полости дефектов любой формы. Необходимым условием заполнения является то, что размеры этих полостей должны быть настолько малы, чтобы жидкость могла образовать мениск сплошной кривизны без плоских участков. а б Рис. 3.5. Схемы проникновения жидкости вглубь тупиковой трещины (а) и проявления индикаторных следов дефектов (б) Если на мениск, распложенный в устье трещины, наложить какое-нибудь пористое вещество, то он исчезнет, и вместо него образуется система малых менисков различной формы и большой кривизны с малыми радиусами ri, каждый из которых создает свое капиллярное 39 давление Pi . Равнодействующая сил P P , созданных менискаi ми капиллярных давлений, существенно превышает давление P2 и действует в противоположном ему направлении. Под действием суммы давлений Pi пенетрант из полости трещины поднимается на поверхность контролируемого объекта, несколько расплываясь над дефектным участком и образуя так называемый индикаторный след. Угол зрения на трещину при этом увеличивается, и индикаторный след можно наблюдать невооруженным глазом или в лупу с небольшим увеличением (рис. 3.5, б). Вещества, вытягивающие пенетранты из полостей дефектов, называют проявителями. Индикаторные следы на контролируемой поверхности, образующиеся в результате взаимодействия пенетранта и проявителя, определяют положение соответствующих дефектов. Для повышения визуального восприятия в пенетрант вводят люминофоры, обладающие способностью люминесцировать при воздействии ультрафиолетового излучения, либо цветовые добавки, придающие индикаторному рисунку высокий яркостный и цветовой контраст по сравнению с фоном. У КНК есть верхний и нижний пределы чувствительности. Верхний предел определяется наибольшей шириной дефекта, при которой пенетрант полностью вытекает из него, образуя размытое облако. Нижний предел определяется настолько малым дефектом, что проникшего в него пенетранта недостаточно для обнаружения. Рис. 3.6. К определению чувствительЧувствительность КНК опредености КНК: 1 – контролируемое ляется геометрическим kг и опизделие; 2 – проявитель; 3 – дефект; В и Вп– интенсивности света, отражён- тическим kо факторами. ного от проявителя (фон) и от выдеГеометрический фактор лившегося из дефекта пенетранта определяется как [3] kГ 1 y , b (3.8) где у – ширина устья дефекта, a b – ширина выделившегося пенетранта, как показано на рис. 3.6. 40 Оптический фактор определяется отношением интенсивностей света: kо B . BП 3.2. Классификация КНК и применяемые материалы Капиллярный контроль в зависимости от типа проникающего вещества разделяют на контроль с помощью жидких проникающих растворов различного состава и контроль с применением фильтрующихся суспензий. По способу получения первичной информации (в зависимости от состава проникающего раствора) выделяют яркостный, цветной, люминесцентный и люминесцентно-цветной методы. Яркостный (ахроматический) метод основан на регистрации контраста ахроматического индикаторного следа (рисунка) на поверхности контролируемого объекта в видимом излучении. Простейшим примером применения яркостного метода является метод керосиновой или керосино-масляной пробы. При этом в качестве пенетранта используют керосин или его смесь с маслом, а в качестве проявителя – водный или спиртовый раствор мела (спиртовый сохнет быстрее). Цветной (хроматический) метод в отличие от яркостного основан на регистрации цветных (как правило, ярко-красных) индикаторных следов и отличается несколько большей чувствительностью. Недостатком цветного метода являются высокие требования к остроте зрения, а также отсутствие у контролера нарушений цветового восприятия – дальтонизма, которым страдают преимущественно мужчины. Люминесцентный метод предусматривает введение в пенетрант люминофоров и дополнительно требует наличия источника ультрафиолетового излучения. При облучении индикаторных следов длинноволновым ультрафиолетовым излучением происходит люминесцирование видимым излучением. Это обеспечивает резкое увеличение контраста индикаторных следов на фоне поверхности контролируемого объекта и повышает чувствительность по сравнению с яркостным методом в некоторых случаях в несколько раз. Люминесцентно-цветной метод объединяет достоинства и недостатки рассмотренных выше методов. Индикаторный след от дефекта при этом светится при ультрафиолетовом облучении и окрашен при освещении в видимом диапазоне спектра. 41 С применением фильтрующихся суспензий контролируют конструкции, изготовленные из пористых материалов. Суспензия в своем составе помимо проникающей жидкости содержит цветные, люминесцентные или люминесцентно-цветные вещества размером от тысячных до сотых долей миллиметра. Проникающая жидкость при нанесении ее на контролируемую поверхность поглощается пористым материалом. Поглощение происходит наиболее интенсивно в зоне дефектов, при этом взвешенные частицы, размер которых превышает размер пор, отфильтровываются и осаждаются над дефектом. Места скопления отфильтрованных частиц легко обнаруживаются за счет контраста на фоне поверхности контролируемого объекта. В отдельный класс выделяют методы, в которых для индикации пенетранта, оставшегося в полости дефекта, применяют различные приборные средства. Эти методы называют комбинированными, поскольку в них для обнаружения дефектов помимо капиллярного эффекта используют также другие физические явления. Согласно ГОСТ 18442–80 к ним относят: капиллярно-электростатический, капиллярно-электроиндукционный, капиллярно-магнитный, капиллярнорадиационный поглощения и капиллярно-радиационный отражения. При КНК применяют следующие материалы: 1. В качестве пенетранта – различные жидкие растворы, чаще всего на основе керосина, в который добавляются красители или люминофоры, светящиеся под действием ультрафиолетового излучения. Например, пенетрант «А» состоит из 700 мл керосина, 300 мл бензина Б-70, 30 г тёмно-красного красителя. Пенетрант «Е» состоит из керосина (800 мл), бензола (200 мл) и тёмно-красного красителя. Существуют пенетранты, у которых в керосин добавлены ацетон, бензин и краситель или трансформаторное масло, скипидар и краситель, и ряд других. Люминесцирующие пенетранты представляют собой смеси органических растворителей, масел, керосина с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ) и люминесцирующих веществ: масел, нефти, нориола, эмульсола и др. 2. Очищающую жидкость, которая предназначена для удаления пенетранта с поверхности контролируемого объекта. В качестве очищающих жидкостей используются вода, вода с добавлением ПАВ, органические растворители, смесь масла с керосином и другие жидкости. Например, масло МК–8–65% объема, толуол – 30%, эмульгатор ОП–7–5%. 3. Гаситель, который представляет собой состав для устранения 42 окраски или люминесцентных остатков пенетранта без удаления его с контролируемой поверхности. В качестве гасителей используется, например, вода с кальцинированной содой (гаситель О201), спирт с поверхностно активным веществом ОП–7 (гаситель О300) и другие вещества. 4. В качестве проявляющих веществ – агар-агар, крахмал, порошок окиси магния, суспензия каолина в ацетоне и многие другие материалы, которые адсорбируют пенетрант, проникший в дефекты, и тем самым позволяют фиксировать их на поверхности контролируемого объекта. Индикаторные пенетранты для красок и люминофоров, приготовленные на основе растворителей (керосин, бензин и т.п.), достаточно быстро испаряются. Длительная выдержка пенетранта на контролируемой поверхности может привести к его высыханию и выпадению в виде осадка из частиц красителя или люминофора. Эти частицы, являясь сорбентом, могут привести к извлечению пенетранта из устья дефекта; в результате выявление дефектов при контроле ухудшается. Для предотвращения высыхания можно периодически наносить дополнительно пенетрант, однако это процесс трудоемкий, особенно при контроле больших площадей, поэтому время нахождения пенетранта на контролируемой поверхности обычно ограничено 3–5 мин. После этого индикаторный пенетрант необходимо удалить с поверхности КО. Способы удаления проникающей жидкости с поверхности выбирают с учетом необходимости сохранения ее в полостях дефектов, а также типа пенетранта, шероховатости поверхности, условий контроля, объема работ и требуемой производительности труда. При локальном контроле деталей в полевых, цеховых условиях в случае использования невысыхающих жидкостей детали протирают ветошью или бумагой. При большом объеме работ или при контроле шероховатых деталей (с чистотой обработки поверхности ниже пятого класса) этот способ непригоден. В этих случаях применяют промывку органическими растворителями, водой и пр. Для удаления невысыхающих жидкостей применяют обдувку струей песка, дроби, косточковой крошки, опилок и т.п. Гашением устраняется люминесценция или окраска при использовании специальных проникающих жидкостей. При контроле массовых деталей в цеховых условиях применяют комбинированный способ удаления проникающей жидкости с поверхности деталей. 43 Полноту удаления пенетранта определяют визуально или (при люминисцентном методе) в ультрафиолетовом свете. Оценку считают удовлетворительной, если отсутствует светящийся или окрашенный фон. Если фон обнаружен, для повторной очистки используют очиститель типа O–l или О–2. При температуре окружающего воздуха ниже 8 °С индикаторный пенетрант с поверхности КО снимают бязью, смоченной в спирте. Влагу с поверхности изделия удаляют влажной бязью до полного исчезновения с нее капель воды, после чего поверхность считается подготовленной к следующей операции. Проявитель чаще всего наносят кистью. При этом расход проявителя значительно меньше, чем при нанесении его краскораспылителем, окружающий воздух меньше насыщается вредными для человека парами растворителей и аэрозолей. В цеховых условиях применяют также способ посыпания и способ наложения липких пленок. После нанесения проявителя детали выдерживают при заданной температуре до окончания процесса проявления, то есть образования индикаторного рисунка. Извлечение пенетранта из поверхностной трещины происходит по мере испарения жидкой основы проявителя и возрастания сорбции с помощью частиц проявителя. Размер индикаторного следа определяется объемом пенетранта, извлеченного из устья трещины, после образования мениска по всей ее протяженности. Средняя ширина индикаторного следа определяется в основном раскрытием поверхностной единичной трещины. Следовательно, для надежного выявления поверхностных дефектов при проведении технологических операций контроля необходимо обеспечить сохранение пенетранта в устье дефекта от момента нанесения до момента его извлечения из дефекта, поэтому операции по нанесению и удалению проникающей жидкости и нанесению проявителя должны проводиться непосредственно одна за другой с минимальным интервалом времени, не следует допускать длительной сушки поверхности после удаления пенетранта, длительной промывки КО и т.п. 3.3. Технология капиллярного контроля Контроль проводят по следующим этапам: подготовка поверхности объекта к контролю, обработка дефектоскопическими материалами, осмотр и выявление дефектов, окончательная очистка контролируемой поверхности. 44 Приборы для КНК выпускаются серийно и включают в себя следующую аппаратуру: ванны для мойки и насыщения изделия пенетрантом; шкафы для сушки изделий; устройства для нанесения пенетранта; оптические устройства для фиксации дефектов визуально, с помощью фотосъёмок и для облучения пенетранта ультрафиолетовыми лучами в случае применения люминесцирующих веществ. Проникающую жидкость наносят на предварительно очищенную поверхность деталей, чтобы заполнить полости возможных поверхностных дефектов. Продолжительность контакта жидкости с поверхностью детали зависит от физических свойств жидкости, характера обнаруживаемых дефектов и способа заполнения жидкостью полостей дефектов. В табл. 3.1 приведены способы заполнения полостей дефектов пенетрантом. Наиболее простым и распространенным в производственных условиях является капиллярный способ. При этом для улучшения проникновения жидкости в полости может подогреваться проникающая жидкость или проверяемая деталь. При вакуумном способе деталь помещают в герметичную камеру, из которой откачивают воздух. После подачи проникающей жидкости камеру разгерметизируют. Жидкость заполняет полости дефектов под действием капиллярного и атмосферного давлений. При разрежении около 1 Па выявляются трещины шириной на порядок меньше, чем при капиллярной пропитке. При компрессионном способе жидкость быстро заполняет полости дефектов под действием капиллярного и внешнего избыточного давлений. При этом достигается более полное заполнение полостей дефектов, однако многие пенетранты изменяют свои свойства при увеличении давления – увеличивается вязкость, ухудшается смачиваемость твердых тел, в результате эффективность способа невелика. При ультразвуковом способе ускоряется процесс заполнения полостей дефектов, особенно загрязненных. Высокой эффективности способ достигает при использовании пенетрантов средней и высокой вязкости (нориола, шубикола, смесей масла с керосином), когда направление колебаний совпадает с плоскостью полости дефекта. Под воздействием статических сил увеличивается ширина раскрытия полости дефектов, улучшаются условия заполнения этих полостей и выявления дефектов низковязкими жидкостями. 45 Например, заполнение поверхностных трещин раскрытием 0,002 мм и глубиной 1,5 мм в стекле при обычных условиях происходит за 20 с; такая же трещина глубиной 3 мм полностью заполняется примерно за 40 с. Скорость заполнения сквозных дефектов зависит от их размеров и конфигурации, время заполнения измеряется секундами. Подготовка объекта к контролю включает в себя очистку и сушку контролируемой поверхности и полостей дефектов. Цель этого этапа заключается в обеспечении доступа индикаторного пенетранта в дефекты, а также в устранении возможности образования фона и ложных индикаций. Очистка может производиться следующими способами: механическим, химическим, электрохимическим, ультразвуковым или растворителями. Механический способ используют при наличии на поверхности ржавчины, окалины, сварочного флюса, краски и т. д. Очистку осуществляют путем пескоструйной обработки, металлическими щетками, механическим шлифованием, шабрением и др. Недостатком этого способа является высокая вероятность закрытия устьев полостей дефектов. Таблица 3.1 Особенности заполнения полостей дефектов проникающей жидкостью разными способами Название Технологическая характеристика способа Самопроизвольное заполнение полостей дефектов проникающей жидкостью, наносимой на контролируемую поКапиллярный верхность смазыванием, погружением, струйно, распылением с помощью сжатого газа Заполнение полостей дефектов проникающей жидкостью Вакуумный при пониженном давлении в полостях Заполнение полостей дефектов проникающей жидкостью Компрессионный при воздействии на нее повышенного давления Ультразвуковой Заполнение полостей дефектов проникающей жидкостью при воздействии на нее ультразвуковых колебаний Заполнение полостей дефектов проникающей жидкостью при воздействии на объект контроля упругих колебаний Деформационный звуковой частоты или статической нагрузки, увеличивающей ширину раскрытия трещин При отсутствии механическ их препятствий проникновения пенетранта для очистки поверхности применяют органические раство- 46 рители и водные моющие средства, наносимые вручную. Для интенсификации процесса очистки изделие может погружаться в ультразвуковую ванну с моющим раствором. В более ответственных случаях применяют химическую или электрохимическую очистку, заключающуюся в травлении поверхности слабыми растворами кислот или травлении под воздействием электрического поля. После очистки изделия непосредственно перед нанесением пенетранта производится его сушка с целью удаления воды или растворителя с поверхности изделия и полостей дефектов, затем проверка контролируемой поверхности на степень обезжиривания. Наиболее простой метод оценки степени обезжиривания основан на способности воды или моющего раствора сохранять на обезжиренной поверхности металла в течение определенного времени сплошности, т. е. не собираться в капли. Поверхность считается обезжиренной, если в течение 60 с сплошность пленки воды не нарушилась. Обработка дефектоскопическими материалами составляет основную часть процесса контроля и выполняется в следующем порядке: нанесение пенетранта на контролируемую поверхность, удаление избытков пенетранта, нанесение проявителя. Нанесение пенетранта производится погружением, кистью или напылением с помощью аэрозольного баллона, пульверизатора или краскораспылителя. Выявление дефектов производится визуально – путем осмотра. Осмотр контролируемой поверхности, как правило, проводят дважды: через 5–6 мин для обнаружения крупных дефектов и через 25–60 мин для обнаружения мелких. Общий осмотр проводят невооруженным глазом или с применением луп малого увеличения с большим полем зрения. При осмотре отыскивают окрашенный или люминесцирующий индикаторный рисунок, обращая внимание на основные признаки: трещины любого происхождения, волосовины, закаты, неслитины, непровары, неспаи, плены выявляются в виде четких, иногда прерывистых окрашенных линий различной конфигурации; растрескивание материала, межкристаллитная коррозия участков поверхности крупнозернистых сплавов проявляются в виде группы отдельных коротких линий или сетки; межкристаллитная коррозия участков поверхности мелкозернистых сплавов выявляется в виде пятен, размытых полос; поры, язвенная коррозия, выкрашивание материала, эрозионные повреждения поверхности выявляются отдельными точками, звездочками. 47 К недостаткам КНК следует отнести высокую трудоемкость контроля при отсутствии механизации; сложность механизации и автоматизации процесса контроля; большую длительность процесса (от 0,5 до 1,5 ч); снижение достоверности результатов при отрицательных температурах, необходимость удаления лакокрасочных покрытий и тщательной предварительной очистки контролируемых деталей; низкую вероятность обнаружения дефектов, перекрытых окисными пленками или сжатых значительными остаточными или рабочими напряжениями в детали; громоздкость стационарного оборудования; вредность некоторых дефектоскопических материалов для персонала и необходимость использования защитных приспособлений и вентиляции; субъективность контроля, зависимость достоверности результатов от умения и состояния контролера; ограниченный срок хранения дефектоскопических материалов, зависимость их свойств от продолжительности хранения и температуры среды. Контрольные вопросы 1. Чем определяется верхний и нижний порог чувствительности КНК? 2. Какие дефекты выявляются наиболее полно методами КНК? 3. Каковы основные этапы КНК? 4. Каковы основные достоинства и недостатки КНК? 5. От каких факторов зависит размер индикаторного следа? 6. Каковы требования, предъявляемые к проникающей жидкости? 7. Какие вещества применяют в качестве проявителя? 8. Какие основные приборы, приспособления и материалы, используемые при КНК, вам известны? 48 4. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ 4.1. Основные понятия волнового процесса Акустические методы контроля основаны на излучении и (или) приеме акустических волн в широком частотном диапазоне: от 20 кГц до 15 МГц. При акустическом неразрушающем контроле нефтегазового оборудования используют более узкий диапазон: от 1,0 МГц до 10 МГц. Акустический контроль основан на анализе упругих колебаний, которые распространяются в твердом теле. Упругие колебания могут самопроизвольно возникать в теле (например при распространении трещин), в этом случае контроль называется пассивным (эмиссионный метод). В других случаях колебания специально возбуждают в теле, тогда контроль называют активным (теневой, свободных колебаний, эхо-импульсный, резонансный, импедансный и велосиметрический методы) [4]. Упругие колебания среды – это звук, соответственно этот вид контроля иногда называют звуковым. В зависимости от частотного диапазона различают собственно слышимый звук (частоты от 16 Гц до 20 КГц), инфразвук (частоты менее 16 Гц) и ультразвук (частоты более 20 КГц). Наиболее широко для неразрушающего контроля используется ультразвук, причем на частотах порядка 1…5 МГц. На этих частотах становится возможным обнаруживать дефекты размером около 1 мм. Разрешающая способность метода связана с длиной звуковой волны: чем она короче – тем мельче дефекты, которые можно обнаружить. Если скорость звука в металле = 5 км/с, а частота f = 5 МГц, то длина волны λ = 1 мм. Минимальный размер дефекта, который можно обнаружить, определяется разрешающей способностью метода, зависящей от длины волны ультразвука. На частоте 2 МГц длина волны в стали примерно 2,5 мм – такого порядка дефекты могут быть выявлены. Максимальная глубина залегания дефекта, на которой он может быть обнаружен (глубина прозвучивания), зависит от степени затухания ультразвуковых импульсов в объекте контроля (ОК). Затухание, как уже было установлено, определяется структурными особенностями объекта контроля, в частности акустической однородностью. Глубина прозвучивания может достигать 0,5 м и более. Однако у самой поверхности ОК есть так называемая «мертвая зона» – область, где дефекты не выяв- 49 ляются. Ее глубина достигает нескольких миллиметров. Причина ее возникновения – протяженность во времени УЗ импульса – пока не закончится излучение одного импульса, невозможен прием другого. Колебательный процесс частиц среды характеризуется амплитудой – максимальным отклонением частицы от положения равновесия. Колебание одних частиц среды передается соседним за счет упругости среды. Упругость – свойство частиц среды возвращаться в первоначальное состояние. Распространение колебательного процесса в пространстве и во времени называют волнами. В твердом теле могут распространяться два типа волн – продольные и поперечные. Схематично перемещение атомов тела при этом показано на рис. 4.1. Продольные волны называют волнами сжатия – разряжения, а поперечные – волнами сдвига. В продольных волнах направление смещений частиц среды (рис. 4, а) совпадает с направлением распространения волны, а поперечные волны распространяются в плоскости, перпендикулярной смещениям частиц. Скорость распространения продольных волн сl выше, чем поперечных сt. В жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны. Скорость звука в разных средах разная – в металлах она значительно выше чем в воздухе и равна нескольким километрам в секунду. На границах сред звуковые волны, как и свет, испытывают отражение и преломление. Распространение упругих волн в твердом теле определяется параметрами среды, из которых основными являются: плотность, упругость и структура. Скорость звука некоторых твердых тел представлена в табл. 4.1 . а б Рис. 4.1. Упругие волны в твердом теле: а – продольная волна, б – поперечная волна 50 Таблица 4.1 Скорость звука, распространяющаяся в различных материалах Скорость продольной Скорость поперечной Материал волны (сl), м\с волны (сt) м\с Железо 5 900 3 230 Медь 4 700 2 260 Алюминий 6 260 3 080 Кварц 5 970 3 762 Стекло 3 760 – 48 000 2 380 –2 560 Полистирол 2 350 1 120 4.2. Излучение и прием акустических волн Наиболее распространенный метод излучения и приема акустических волн основан на использовании пьезоэлектрического эффекта. Прямой пьезоэффект связан с тем, что механическое воздействие (например сжатие) на особого рода кристаллы (пьезокристаллы) вызывает их поляризацию: одна грань заряжается положительно, другая отрицательно, при растяжении знак меняется на обратный [8]. Обратный пьезоэффект: если кристалл поляризовать (прикладывать к граням напряжение), то он либо сжимается, либо растягивается соответственно поляризации. Пьезоэлектрический эффект связан с тем, что молекулы кристалла полярны, представляют собой диполи. При отсутствии механического воздействия эта система нейтральна. Приложение механической нагрузки приводит к тому, что диполи слегка поворачиваются, нарушается электрическая нейтральность и наблюдается поляризация (возникает заряд на гранях кристалла). На рис. 4.2 показано устройство ультразвукового пьезоэлектрического излучателя-приемника. Здесь 1 – пластинка-пьезопреобразователь с посеребренными торцами 3 для присоединения электродов, 2 – это демпфер – Рис. 4.2. Схема ультразвукового резиноподобное вещество, которое гаизлучателя-приемника сит паразитные колебания, 4 – протек- 51 тор (это защитный слой, предохраняющий пьезопластинку 1 от истирания), 5 – слой жидкости для улучшения контакта с объектом контроля. Для того чтобы ввести ультразвуковые колебания в тело, необходим хороший акустический контакт. На рис. 4.3 показаны различные варианты прохождения ультразвука из одного тела (излучателя) в другое (объект контроля). На рис. 4.3, а показано, что наличие шероховатости ухудшает акустический контакт, вызывая отражение на границе. Присутствие на границе тонкой жидкостной пленки значительно улучшает акустический контакт (рис. 4.3, б). Чаще всего для создания такой пленки используют масло или глицерин. Хороший контакт возникает, когда оба тела помещены в ванну с жидкостью. Этот метод акустического контакта называется иммерсионным [8]. а б в Рис. 4.3. Варианты акустического контакта: 1 –излучатель УЗ волн; 2 – объект контроля Создание хорошего акустического контакта представляет определенную трудность. 4.3. Активные методы акустической дефектоскопии Основные методы акустической дефектоскопии – теневой и эхометод [8]. Теневой метод связан с прохождением ультразвукового сигнала через объект контроля и улавливанием его на противоположной стороне (рис. 4.4 – 4.5). 52 Генератор 1 – вырабатывает электрические импульсы, которые в излучателе 5 превращаются в импульсы упругих колебаний и через поверхность ввода 6 поступают в объект контроля 8. Приемник 7 улавливает механические колебания, прошедшие сквозь тело, и преобразует их в электрические сигналы. Эти сигналы очень слабы, поэтому необходим Рис. 4.4. Схема теневого метода ультразвукового усилитель электрический колебаний 2. контроля Усиленный сигнал поступает на измеритель амплитуды электрических колебаний. Если в теле встречаются дефекты 9, то амплитуда прошедших импульсов уменьшается. Таким образом, сканируя поверхность, определяется, в каких областях находятся дефекты. Неудобство этого метода в том, что он требует доступа к КО с двух сторон. Этого недостатка лишен эхо-метод или метод отражения. В данном методе в отличие от теневого излучатель и приемник совмещены. В данном случае генератор импульсов 1 вырабатывает электрические импульсы, они преобразуются в механические в излучателе и попадают внутрь объекта контроля. Проходя сквозь объект, они отражаются от дефекта или от дна и снова возвращаются в излучатель, который вы- Рис. 4.5. Схема эхо-метода ультразвукового контроля ступает теперь как приемник. Он преобразует механические импульсы колебаний в электрические. Далее через усилитель 2 отраженный сигнал попадает в измерительный блок 3, где измеряется не только амплитуда, но и время прохождения импульса через объект контроля. На рис. 4.6 представлено отображение импульсов на экране измерительного блока [8]. 53 Рис. 4.6. Схема прохождения импульса через объект контроля и его отображение на экране электронно-лучевой трубки Если в объекте контроля нет дефектов, на экране видны только первичный импульс N и донный импульс D (то есть импульс, отраженный от дна). Если перед донным импульсом появляется еще импульс (в данном случае – В), он указывает на наличие дефекта, а расстояние на экране между импульсами N и В пропорционально глубине его залегания от поверхности (в теневом методе мы не знаем, на какой глубине находится дефект). Амплитуда импульса (высота) говорит о величине дефекта (о его размерах). Вариантом этого метода является эхо-зеркальный метод (рис. 4.7). В этом случае приемник и излучатель разнесены и УЗ сигнал вводится в объект контроля не вертикально, а под углом [4, 8]. Рис. 4.7. Схема эхо-зеркального метода: 1 – излучатель, 2 – приемник 54 Этот метод широко используется при контроле сварных швов (рис. 4.8). а б в Рис. 4.8. Схема ультразвукового контроля сварных швов при однократном (а) и многократном (б, в) отражении импульсов 4.4. Метод акустической эмиссии Сущность этого метода неразрушающего контроля состоит в улавливании и анализе очень слабых упругих колебаний, которые возникают в твердом теле при развитии в нем дефектов типа трещин. Таким образом, метод акустической эмиссии (АЭ) является пассив- 55 ным (в отличие от эхо-метода УЗ контроля, при котором упругие колебания вводятся в объект контроля извне). При продвижении трещины в металле (керамике, стекле) происходит высвобождение упругой энергии и в теле возникают волны упругих колебаний [1, 7, 8]. Эти колебания можно уловить, например с помощью пьезоэлектрических датчиков, и получить важную информацию о местоположении трещины в детали или конструкции, ее размере и следить за ее развитием. На рис. 4.9 представлены формы единичных импульсов АЭ от растущих трещин различного размера. Важной характеристикой является амплитуда импульса – она характеризует степень опасности дефекта. Кроме того, регистрируется суммарное число импульсов и скорость счета. а б Рис. 4.9. Экспериментально зарегистрированные формы единичных импульсов АЭ Расположение нескольких датчиков на объекте контроля позволяет точно определить координаты дефекта, излучающего упругие волны (по разности времени прихода сигнала на разные датчики). На рис. 4.10 представлена картина распределения индикаций источников АЭ на мониторе аппаратуры контроля. Здесь крупные точки с цифрами 1, 2, 3, 4 – датчики приема сигналов АЭ, мелкие точки – отдельные импульсы АЭ, возникающие в процессе повышения давления в испытуемом сосуде. Скопление индикаций в средней части сосуда говорит о наличии серьезного дефекта [8]. Достоинства метода АЭ: 1. Метод акустической эмиссии обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов. В результате этим методом обнаруживаются наиболее опасные дефекты – те, которые растут под действием напряжений и могут привести к разрушению. В то же время дефекты, которые не развиваются (в том числе крупные по 56 размерам), этим методом не обнаруживаются. Такое свойство метода АЭ повышает надежность отбраковки изделий при неразрушающем контроле. 2. Метод АЭ обладает высокой чувствительностью к растущим дефектам. Его чувствительность значительно превосходит чувствительность других методов. 3. Метод АЭ обладает свойством интегральности, заключающимся в том, что, используя один или несколько преобразователей АЭ, установленных неподвижно на поверхности объекта, можно контролировать весь объект. Координаты дефектов определяются без сканирования поверхности объекта преобразователями (как это необходимо, например, в эхо-методе). Соответственно, состояние поверхности объекта контроля не влияет на результаты контроля. Свойство интегральности особенно полезно в случае, если доступ к поверхности контролируемого Рис. 4.10. Картина распределения объекта затруднен или не- индикаций источников АЭ при испытании возможен (например, в слусосуда высокого давления чае контроля теплоизолированных трубопроводов, атомных реакторов и т.д.). 4. Дистанционность метода АЭ проявляется в том, что контроль можно проводить при удалении оператора от контролируемого объекта. Поэтому контролю доступны такие протяженные объекты, как магистральные трубопроводы. 5. Метод АЭ имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой конструкционных материалов, чем другие методы НК. Например, метод АЭ используется для контроля композицион- 57 ных материалов, для которых применение других методов НК затруднено или невозможно. Применение метода АЭ ограничивается в ряде случаев из-за трудностей выделения сигналов АЭ на фоне помех. 4.5. Применение акустических методов в дефектоскопии Обнаружение и измерение имеющихся в конструкции дефектов осуществляют с помощью ультразвуковых дефектоскопов специального или общего назначения. В качестве примера на рис. 4.11 приведены схемы прозвучивания поперечных сечений некоторых типов сварных соединений. Удаление пьезопреобразователя от сварного шва (l1, l2) определяется соответствующим геометрическим расчетом. Для контроля сварного шва по всей его длине осуществляется соответствующее перемещение пьезопреобразователя (сканирование). При механизированном контроле перемещение осуществляется с помощью механического приводного устройства. При ручном перемещении применяют поперечно-продольный или продольнопоперечный способы сканирования. При поперечно-продольном способе пьезопреобразователь перемещается возвратно-поступательно в направлении, перпендикулярном оси шва или под небольшим углом к ней с шагом t. Шаг сканирования t обычно принимается равным половине диаметра пьезопластинки преобразователя. При продольнопоперечном способе пьезопреобразователь перемещается вдоль шва. В процессе сканирования пьезопреобразователь непрерывно поворачивают на угол 10–15°. Наиболее надежный способ обнаружения внутренних дефектов реализуется при прозвучивании объекта контроля прямым лучом (см. рис. 4.11). Вместе с тем при контроле сварных швов с неудаленным усилением прозвучить удается только корень шва и прилегающую к нему зону [1]. Чем больше ширина валика усиления шва, тем меньше контролируемая зона. В процессе контроля поковок и литья обнаруживаются усадочные раковины, инородные включения, окисные плены, ликвационные скопления, трещины, флокены. Контроль поковок осуществляется после термообработки, но до механической обработки (без выточек, пазов и отверстий УЗ контроль вести проще). Частота прозвучивания – обычно 2 МГц, не допускаются дефекты площадью более 7 кв.мм. Особо ответственные поковки (например для атомной промышленно- 58 сти) прозвучиваются в 3-х взаимно перпендикулярных направлениях. Контроль литья ведется на пониженной частоте (из-за крупнозернистой структуры). На поверхности слитка зачищают площадку для улучшения УЗ контакта. а б Рис. 4.11. Схема прозвучивания сварных соединений: а – прозвучивание стыкового шва с неудаленным усилением; б – позвучивание углового сварного шва Контроль проката: листы часто контролируют теневым методом, акустический контакт осуществляется иммерсионным способом. За один проход проверяется полоса шириной 400–700 мм. Производительность современных установок – десятки метров в минуту. При использовании струйного контакта передающие и приемные искатели располагаются в ряд на расстоянии 100 мм один от другого. Сигнал о 59 наличии дефекта передается на цифропечатающее устройство. Трубы также контролируют на автоматических установках с применением жидкостного контакта. Выявляются дефекты, составляющие 4 –5% от толщины стенки трубы. Установки типа «РОТ» снабжены искателями, вращающимися вокруг трубы (рис. 4.12). Для механизированного контроля магистральных трубопроводов применяют внутритрубные приборы-дефектоскопы (более подробно будут рассмотрены ниже), имеющие большое число преобразователей, расположенных по окружности с определенным шагом (обычно 8 мм). Измерительно-регистрирующая система таких приборов производит циклы измерений через каждые 3 мм по ходу движения, благодаря чему в пределах контролируемого участка трубопровода выполняются миллионы измерений [8]. Обработка результатов измерений на компьютере позволяет выявить участки трубопровода с утонением стенок и наличием наружных и внутренних дефектов. Рис.4.12. Схема ультразвукового контроля труб Контроль рельсов осуществляют в технологическом потоке на металлургическом заводе и в процессе эксплуатации – с помощью вагонов-дефектоскопов с несколькими искателями. Скорость контроля – до 40 км/час. Ультразвуковые толщиномеры предназначены в основном для определения толщины изделия и в отличие от дефектоскопов имеют существенно более простое устройство, меньшие габариты и массу. Например, у них отсутствуют блоки временной регулировки чувствительности, автоматического сигнализатора дефектов и др. При контроле толщины конструкций, подвергшихся сероводородному растрескиванию или расслоению, а также изготовленных из сталей с 60 большим содержанием сульфидных включений, раскатов и др., часто совершаются ошибки, так как большинство толщиномеров определяют толщину изделия по пришедшему первым сигналу от дефекта или расслоения. Поэтому наиболее совершенные модели ультразвуковых толщиномеров снабжаются экранами, на которые выводится развертка. Это позволяет выявить донный сигнал и отличить его от сигнала от расслоения. Большинство моделей толщиномеров наряду с толщиной позволяет измерять также и скорость распространения или время распространения УЗ волны. Точное измерение этих параметров позволяет использовать ультразвуковые толщиномеры и для других целей, например для экспресс-анализа марки металла по скорости распространения в нем ультразвука. Перспективным является применение высокоточных толщиномеров для контроля напряженного состояния и усилия затяжки болтов ответственного оборудования и агрегатов. Контрольные вопросы 1. В чём заключаются различия между активными и пассивными методами акустического контроля? 2. Какие источники акустической эмиссии вы знаете? 3. Что такое акустический контакт? Какие способы осуществления акустического контакта вы знаете? 4. В чем сущность резонансного метода акустического контроля? 5. Каким образом проводят сканирование зоны контроля? Как выбирается шаг сканирования? 61 5. МАГНИТНЫЙ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ 5.1. Область применения и классификация Обнаружение дефектов магнитными методами основано на том, что в намагниченном теле при наличии в нем дефектов типа трещин, раковин, инородных включений и т.п. вокруг этих дефектов возникает поле рассеяния. Магнитные силовые линии, искривляясь, выходят на поверхность и могут быть обнаружены различными способами. На рис. 5.1 показаны два дефекта, из которых (а) один находится вблизи поверхности и ориентирован поперек силовых линий, а другой – в глубине и ориентирован вдоль силовых линий. Очевидно, что надежно обнаружить можно только дефект а, так как он вызывает заметное искажение магнитного поля [3]. Рис. 5.1. Схема магнитного метода контроля: а – дефект создает большое поле рассеяния; б – дефект практически не создает поле рассеяния В зависимости от способа обнаружения поля рассеяния различают магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый и другие методы магнитного контроля. После намагничивания изделия осуществляется проявление дефектов, состоящее в фиксировании магнитного поля над дефектом каким-либо методом: порошковым, феррозондовым, магнитографическим и другими методами, которые будут рассмотрены в дальнейшем. При этом контроль (выявление) дефектов осуществляется двумя способами [3]: 1. Контроль дефектов на остаточной намагниченности контролируемого изделия, пригодный только для магнитотвердых материалов с коэрцитивной силой Нс больше 800 А/м (больше 10 Э). В этом случае проявление дефектов осуществляется после намагничивания контролируемого изделия и удаления его из намагничивающего поля. 62 2. Контроль дефектов в приложенном магнитном поле, применяемый для магнитомягких материалов, у которых коэрцитивная сила Нс < 800 А/м (10 Э). В этом случае проявление дефектов осуществляется после намагничивания контролируемого изделия без его удаления из намагничивающего поля, т.к. без приложенного внешнего магнитного поля над дефектами образуются слабые магнитные поля рассеяния, не позволяющие выявить дефект. Этим способом контролируют детали сложной формы, а также в том случае, когда мощности источника питания недостаточно для намагничивания всей детали вследствие ее больших размеров, в приложенном магнитном поле рабочая индукция поля достигается при в четыре раза меньшей напряженности магнитного поля. После МНК обязательно проводится размагничивание проконтролированного изделия [5, 6]. Магнитный вид неразрушающего контроля применяют в основном для изделий из ферромагнитных материалов. Магнитные характеристики таких материалов являются информативными параметрами, так как зависят от их физико-механических свойств, химического состава, вида механической и термической обработки, а также от размеров и сплошности изделий. К числу информативных параметров, используемых в магнитном неразрушающем контроле (НК), относятся [3, 8]: коэрцитивная сила Нс, намагниченность М, остаточная магнитная индукция Вп, начальная или максимальная магнитная проницаемость ц, параметры петли гистерезиса В(Н). Ферромагнитные материалы относятся к веществам, которые под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля способны намагничиваться. При этом они сами в окружающем пространстве создают магнитное поле. Ферромагнетики отличаются от парамагнетиков рядом свойств: кривая намагничивания, выражающая зависимость между Н и В, для парамагнетиков будет прямой, для ферромагнетиков из-за непостоянства она имеет сложный характер; магнитная восприимчивость ферромагнетиков при некоторой температуре, называемой температурой Кюри (точкой Кюри), исчезает: ферромагнетик размагничивается и превращается в парамагнетик; 63 кривые намагничивания и перемагничивания ферромагнетика не совпадают – происходит своеобразное отставание изменения индукции от изменений напряженности намагничивающего поля [1]. Это явление называют гистерезисом, а замкнутая кривая, изображающая зависимость В от Н при перемагничивании, называется петлей гистерезиса (рис. 5.2). Рис. 5.2. Петля магнитного гистерезиса: 0–1 – первоначальная кривая намагничивания из размагниченного состояния; 1–2 – нисходящая ветвь; 4–1 – восходящая ветвь; 1–2–3–4–1 – предельная петля гистерезиса На зависимости В от Н выделяют ряд характерных точек, имеющих соответствующие названия. 5.2. Способы намагничивания изделий Качество МНК существенно зависит от способа намагничивания контролируемого изделия. С целью получения максимальной чувствительности и разрешающей способности магнитного метода неразрушающего контроля применяются различные виды намагничивания материалов, среди которых пять основных: продольное (полюсное), циркулярное, комбинированное, параллельное, способом магнитного контакта [3, 4]. 64 Продольным (полюсным) намагничиванием называется такое намагничивание, при котором магнитные силовые линии часть пути проходят по изделию, а часть – по воздуху. Это намагничивание осуществляется путём помещения контролируемого протяжённого изделия правильной формы (цилиндрического, прямоугольного и т.п.) либо между полюсами постоянного магнита (электромагнита), либо в соленоид. После удаления изделия из намагничивающего поля за счёт остаточной намагниченности в изделии возникают два магнитных полюса, N и S, как показано на рис. 5.3, поэтому такой метод намагничивания назван полюсным. Рис. 5.3. Схема спектра магнитного поля вокруг полюсно намагниченной детали На рис. 5.4. схематично изображены приемы полюсного намагничивания. Намагничивание полем стационарного электромагнита (рис. 5.4, а) или полем ручного электромагнита (рис. 5.4, б) позволяет выявлять линейные дефекты, перпендикулярные оси изделия, а намагничивание полем соленоида (рис. 5.4, в, г) выявляет дефекты, перпендикулярные оси изделия. Намагничивание внешним полем соленоида позволяет выявлять дефекты на внутренней поверхности отверстия, перпендикулярные оси отверстия (рис. 5.4, д). 65 б а в г д Рис. 5.4. Способы создания полюсного намагничивания: а – с помощью стационарного электромагнита; б – с помощью ручного (переносного) электромагнита; в, г, д – полем соленоида При полюсном методе различают продольное намагничивание, при котором направление вектора Н внешнего магнитного поля совпадает с направлением продольной оси детали (рис. 5.5, а), и поперечное намагничивание, при котором вектор перпендикулярен продольной оси детали (рис. 5.5, б). Поперечное намагничивание в другом направлении прямоугольной детали, как показано на рис. 5.5, в, иногда называют нормальным намагничиванием. Циркулярным называется намагничивание, при котором магнитные силовые линии имеют вид концентрических окружностей, расположенных в плоскости, перпендикулярной направлению тока. При отсутствии дефектов магнитные силовые линии замыкаются внутри детали, магнитные полюса не образуются. При наличии дефекта магнитное поле выходит из детали, как показано на рис. 5.6. 66 а б в Рис. 5.5. Виды полюсного намагничивания: а – продольное; б – поперечное; в – нормальное; 1 – намагничиваемая деталь; 2 – трещина Циркулярный метод намагничивания осуществляется либо пропусканием тока по толстому медному стержню или проводу, протянутому через деталь (рис. 5.6), либо пропусканием тока непосредственно через деталь (рис. 5.7). Последний способ применяется для контроля сплошных протяжённых деталей, цилиндрических полых толстостенных деталей при выявлении дефектов на внешней поверхности цилиндра, при контроле сварных швов путём пропускания тока через шов. Прижимные контакты для пропускания тока через деталь называются электрокарандашами [3]. Комбинированным называется намагничивание, при котором магнитное поле возбуждается одновременно действием двух или трёх источников полей, например продольным полем электромагнита и одного или двух циркулярных полей прямого тока. 67 Комбинированное намагничивание обеспечивает максимальную выявляемость дефектов, особенно в деталях сложной формы. Рис. 5.6. Схема циркулярного намагничивания детали пропусканием тока по стержню: 1 – трещина; 2 – поле рассеяния над трещиной; 3 – стержень; 4 – магнитные линии; 5 – деталь; I – ток Рис. 5.7. Намагничивание полем тока, пропускаемого через деталь Параллельным называется намагничивание, при котором провод с намагничивающим потоком расположен параллельно поверхности контролируемой детали, как показано на рис. 5.8, а, где 1 – кабель с током, 2 – контролируемое изделие со щелью 3. 68 Для увеличения намагничивания изделия применяются дополнительные магнитопроводы 4 в виде полуколец, закреплённых на токоведущем кабеле 1 на расстоянии 3–5 мм друг от друга и плотно прижатых к изделию 2 (рис 5.8, б). а б Рис. 5.8. Схема параллельного намагничивания детали с применением: а – обычного кабеля; б – кабеля с полукольцом; 1 – кабель с током; 2 – контролируемое изделие; 3 – щель; 4 – дополнительные магнитопроводы Полукольца изготавливаются из магнитомягкой стали Ст-3, стали 10, 20 и др., ширина полуколец обычно составляет 15–40 мм, диаметр зависит от величины наибольшего тока, протекающего по кабелю. При пропускании тока через кабель возникает замкнутая магнитная цепь: полукольцо – участок детали – следующее полукольцо. При параллельном намагничивании в стали типа ЗОХГСНА удаётся выявить шлифовочные трещины глубиной 0,05–0,07 мм, скрытые слоем хрома толщиной 50–70 мкм. Такой способ намагничивания целесообразен, если к детали ограничен подход и по ней не разрешается пропускать ток. Способом магнитного контакта называется намагничивание контролируемого изделия прямолинейным или подковообразным постоянным магнитом (электромагнитом) путём перемещения одного из полюсов магнита по поверхности изделия. Между контролируемой поверхностью и прижимаемым к ней полюсом магнита следует обес- 69 печить хороший магнитный контакт. Второй полюс магнита должен быть удалён на возможно большее расстояние от контролируемой поверхности, чтобы уменьшить его размагничивающее действие. На рис. 5.9 показан пример применения способа магнитного контакта при намагничивании цилиндрической детали 1. К её боковой поверхности 2 прижат полюсный наконечник 3 полюса N прямого постоянного магнита. Наконечник 3 перемещается вокруг цилиндра из начального положения НН в конечное положение КК. Полюс магнита перемещают по поверхности детали в направлении, перпендикулярном направлению распространения предполагаемых трещин. Ширина эффективно намагниченной зоны практически равна ширине зоны контакта детали с полюсным наконечником, а длина равна расстоянию между начальным и конечным положениями полюса магнита. Рис. 5.9. Схема намагничивания участка детали способом магнитного контакта Для контроля деталей цилиндрической формы магнит перемещают по винтовой линии. Путь перемещения не должен быть замкнут. Расстояние l между начальным и конечным положениями должно составлять не менее 1/3 части окружности цилиндра, если его диаметр d менее 30 мм. При d > 30 мм величина 1~20Ч–30 мм. В противном случае может произойти размагничивание или даже перемагничивание детали. 70 При контроле плоских поверхностей полюс магнита перемещают на расстояния, превышающие контролируемый участок в обе стороны на 20–30 мм. Для выявления различно ориентированных дефектов одной операцией намагничивания рекомендуется применять комбинированное намагничивание. 5.3. Способы регистрации дефектов при МНК При магнитном контроле применяются различные способы регистрации дефектов [7, 8]. Их выбор обусловлен следующими факторами: 1) геометрией контролируемого изделия; 2) необходимой чувствительностью контроля; 3) заданной разрешающей способностью контроля; 4) производительностью контроля. По способу получения первичной информации различают следующие методы магнитного контроля [5]: • магнитопорошковый (МП), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами с использованием в качестве индикатора ферромагнитного порошка или магнитной суспензии; • магнитографический (МГ), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния с использованием в качестве индикатора ферромагнитной пленки; • феррозондовый (ФЗ), основанный на измерении напряженности магнитного поля феррозондами; • эффект Холла (ЭХ), основанный на регистрации магнитных полей датчиками Холла; • индукционный (И), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния по величине или фазе индуктируемой ЭДС; • пондеромоторный (ПМ), основанный на регистрации силы отрыва (притяжения) постоянного магнита или сердечника электромагнита от контролируемого объекта; • магниторезисторный (MP), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния магниторезисторами; • магнитооптический (МП), основанный на визуализации доменной структуры материала с помощью феррит-гранатовой пленки с зеркальной подложкой. 71 С помощью перечисленных методов можно осуществить контроль сплошности (МП, МГ, ФЗ, ЭХ, И, MP, МО), размеров (ФЗ, ЭХ, И, ПМ), структуры и физико-механических свойств (ФЗ, ЭХ, И, МО). Ниже рассматриваются физическая сущность магнитного контроля и некоторые из методов, наиболее часто применяемые в практике технического диагностирования объектов нефтегазовой промышленности. 5.4. Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля Этот метод применяют для выявления поверхностных и подповерхностных (на глубине не более нескольких миллиметров) трещин, волосовин, флокенов и других дефектов в намагниченных деталях и заготовках. Высокая чувствительность метода позволяет надежно обнаруживать весьма малые дефекты с шириной раскрытия около 1 мкм и более при глубине более 10 мкм и протяженностью более 0,5 мм [2, 3]. Порошковый способ регистрации дефектов состоит в нанесении порошка ферромагнитного материала на намагниченное контролируемое изделие и в регистрации скоплений этого порошка вблизи дефектов. Над дефектом образуются локальные магнитные поля рассеяния, трещина в намагниченной детали становится локальным магнитом, а ее края – полюсами. Эти полюса притягивают к себе порошинки, и дефект становится видимым. Притягиваясь друг к другу, частицы образуют цепочечные структуры, ориентированные по магнитным силовым линиям поля дефекта. В результате происходит накопление частиц осевшего порошка в виде полосок (валиков, жилок, шнуров) над дефектом. Ширина полоски из осевшего порошка значительно больше ширины трещины, волосовины, поэтому магнитопорошковым способом могут быть выявлены мельчайшие трещины и другие поверхностные дефекты, невидимые при визуальном осмотре. В качестве ферромагнитного материала наиболее часто используются черные порошки окислов магнетита Fe304, представляющего смесь закиси железа FeO и окиси железа Fe203. Для изготовления светлых порошков используются специально приготовленные смеси железного и никелевого порошков и алюминиевой пудры [3]. Применяются два способа нанесения ферромагнитного порошка на контролируемое изделие. 72 "Сухой" способ состоит в нанесении на изделие высокодисперсного порошка с размерами частиц 0,1–10 мкм в воздушной взвеси, получаемой распылением порошка в специальных установках. Этот способ применяют для обнаружения подповерхностных дефектов, а также дефектов под слоем немагнитного покрытия толщиной до 200 мкм. Другой способ нанесения сухого порошка на изделие применяется для грубодисперсионных порошков с размером частиц от 0,05 до 2 мм. В этом случае порошок наносится с помощью пульверизатора, резиновой груши или качающегося сита. Этот способ применяется для обнаружения относительно крупных поверхностных и подповерхностных дефектов, а также для контроля деталей с грубо обработанной поверхностью. "Мокрый" способ нанесения магнитного порошка на поверхность намагниченного контролируемого изделия осуществляют путем полива изделия суспензией магнитного порошка или путем погружения изделия в ванну, наполненную суспензией. Магнитная суспензия должна стечь с поверхности, т.е. изделие располагают с наклоном. Возможен контроль без извлечения деталей из суспензии для осмотра. Такой способ рекомендуется, например, для обнаружения шлифовочных трещин под слоем хрома толщиной до 0,2 мм. Контроль осуществляют с помощью универсальных или специализированных дефектоскопов, позволяющих получать необходимые поля и создавать оптимальные условия контроля. В комплект дефектоскопа входят намагничивающие устройства, устройства для перемещения деталей на позиции контроля, приспособления для обработки деталей индикаторными составами, осветительные и измерительные устройства. Современные дефектоскопы комплектуются также устройствами для размагничивания суспензий и изделий. Магнитопорошковый метод применяют для контроля деталей, прошедших окончательную механическую и термическую обработку. Выявляются дефекты, выходящие на поверхность, а также дефекты на глубине до 2 мм под поверхностью. Достоинством метода является его высокая чувствительность, относительная простота аппаратуры, возможность контролировать сложные по форме поверхности. Недостаток метода в том, что он применим только к ферромагнитным материалам, нечувствителен к глубоко залегающим дефектам, трудно поддается автоматизации. 73 Для магнитопорошкового контроля в основном применяют дефектоскопы трех видов: • стационарные универсальные; • передвижные и переносные универсальные; • специализированные (стационарные, передвижные, переносные). Для решения задач технической диагностики нефтегазового оборудования применяют в основном переносные магнитопорошковые дефектоскопы. Например, переносный магнитопорошковый дефектоскоп ПМД-70, выпускаемый отечественной промышленностью. В полевых условиях эффективным средством для контроля локальных участков зарекомендовали себя портативные устройства для полюсного намагничивания в виде электромагнитного ярма (различной мощности) и намагничивающие устройства на постоянных магнитах. 5.5. Магнитографический метод контроля Магнитографический способ регистрации дефектов заключается в записи магнитных полей рассеяния над дефектом на магнитную ленту путем намагничивания контролируемого участка изделия вместе с прижатой к его поверхности магнитной лентой и в последующем воспроизведении и расшифровке полученной магнитной записи. При магнитографическом контроле изделия намагничивают с помощью электромагнитов, реже применяют циркулярное намагничивание. Для обнаружения внутренних дефектов намагничивание производят постоянным током, а для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов – переменным током. На рис. 5.10 представлена принципиальная схема магнитографического дефектоскопа [8]. Трубная заготовка 1 в процессе перемещения относительно дефектоскопа подвергается локальному намагничиванию с помощью электромагнитов 2. В местах нарушения сплошности металла магнитное поле рассеяния выходит за пределы заготовки в виде пиков силовых линий и записывается на магнитную ленту 3. При этом магнитная лента скользит по поверхности заготовки при помощи электродвигателя 5 и роликов 4, 6, 7. В результате осуществляется запись магнитного поля на скользящем носителе, записанное на ленту магнитное поле при помощи воспроизводящей головки 8 преобразуется в сигнал определенной мощности, который поступает в электронный блок 9 для анализа. При появлении сигнала от дефекта загораются индикаторы 10 и с помощью дефектоотметчика производится маркировка де- 74 фектного участка светлой краской. При дальнейшем перемещении ленты специальной головкой 11 стирается записанная информация, и вся вышеописанная процедура повторяется. Для примера на рис. 5.11 показана схема регистрации дефектов сварных швов магнитографическим методом: сварной шов 1 с дефектом 2 находится в детали 3; поле рассеяния от дефекта 2 фиксируется магнитной лентой 4, наложенной на сварной шов 1 и прижатой к нему резиновым поясом (на рисунке не показан). Рис. 5.10. Схема магнитографического дефектоскопа для контроля трубной заготовки: 1– трубная заготовка; 2 – электромагнит; 3 – магнитная лента; 4, 6, 7 – ролик; 5 – электродвигатель; 8 – воспроизводящая головка; 9 – электронный блок; 10 – индикатор; 11 – специальная головка Намагничивающее поле создается постоянным электромагнитом 6 с роликами 5. Последние служат для облегчения перемещения электромагнита вдоль сварного шва [5, 6]. Магнитная лента, применяемая для регистрации полей рассеяния, аналогична применяемой в звукозаписи и, как правило, состоит из слоя магнитного порошка оксида железа, взвешенного в лаке, и немагнитной основы из ацетилцеллюлозы, полиэфиров или лавсана. Разработаны также специально для магнитографического контроля металлические ленты. 75 Магнитографией уверенно выявляются плоскостные дефекты (трещины, непровары), а также протяженные дефекты в виде цепочки шлака, ориентированные поперек направления магнитного потока. Чувствительность магнитографического метода к поверхностным дефектам такая же или несколько хуже, чем у магнитопорошкового. Рис. 5.11. Схема намагничивания С увеличением глубины залегасварного шва вместе с магнитной ния дефекта его выявляемость лентой: 1 – сварной шов; 2 – дефект; ухудшается (практически воз3 – деталь; 4 – магнитная лента; 5 – ролики; 6 – электромагнит можно обнаружение дефекта с вертикальным размером не менее 10–15% толщины изделия на глубине залегания до 20–25 мм). Округлые внутренние дефекты выявляются значительно хуже. Уверенно обнаруживаются внутренние плоскостные дефекты, когда их вертикальный размер составляет AS~8–10% толщины сварного шва; внутренние округлые дефекты возможно обнаружить только при AS ~ 20%. 5.6. Магнитные преобразователи В подавляющем большинстве случаев при магнитном контроле приходится иметь дело с измерением или индикацией магнитных полей вблизи поверхности изделий. Для этого применяют различные магнитные преобразователи [1, 2], из которых наиболее широкое распространение получили индукционные, феррозондовые, холловские и магниторезисторные. В магнитопорошковых и магнитографических установках применяют различные порошки и ленты. Индукционные преобразователи. Принцип действия индукционного преобразователя основан на возникновении ЭДС, наведенной в замкнутом контуре, пропорциональной изменению во времени сцепления этого контура с магнитным потоком (магнитный поток равен произведению напряженности поля на площадь поверхности, перпендикулярной вектору Н. Величина Н в пределах площади может быть как постоянной (однородной), так и переменной. Простейший пассивный индукционный преобразователь представляет собой катушку 76 (контур) с числом витков w. При помещении катушки в переменное магнитное поле на ее концах возникает мгновенная электродвижущая сила. Феррозонды. В отличие от пассивных индукционных преобразователей феррозондовые преобразователи (феррозонды) являются устройствами активного типа. Происходящие в них процессы всегда связаны с воздействием двух полей – внешнего измеряемого поля и дополнительного вспомогательного поля возбуждения, образуемого за счет тока, протекающего в одной из обмоток. Простейший феррозонд состоит из сердечника с двумя обмотками – возбуждения и индикаторной. Схема такого феррозонда аналогична схеме накладного трансформаторного вихретокового преобразователя. С помощью первой обмотки создается поле возбуждения H(t), в сердечнике возникает индукция B(t), которая индуцирует магнитную ЭДС. Выбором размеров сердечника и максимальной напряженности поля возбуждения добиваются необходимой чувствительности либо необходимого диапазона измеряемых полей. При импульсном возбуждении возбуждение и индикацию можно осуществить одной обмоткой. Существуют феррозонды различных типов и модификаций, отличающиеся количеством и расположением обмоток и конструкцией сердечника. Датчики Холла. Датчики Холла, которые иногда называют преобразователями или генераторами Холла, работают по принципу возникновения ЭДС в результате искривления пути носителей тока в металлах и полупроводниках. В 1879 г. американский физик Эдвин Г. Холл обнаружил, что в плоском проводнике, по которому в продольном направлении идет электрический ток, помещенном в магнитное поле, направление индукции которого перпендикулярно плоскости проводника, возникает разность потенциалов на его узких сторонах в точках А и В (рис. 5.12). Эффект Холла объясняется действием силы Лоренца, возникающей при движении заряда в магнитном поле и направленной перпендикулярно векторам движения заряда и индукции магнитного поля. Принцип действия преобразователя Холла основан на возникновении ЭДС Uy между гранями А и В прямоугольной пластины из полупроводникового материала (см. рис. 5.12), по которому протекает ток I в направлении, перпендикулярном АВ, когда плоскость пластины пересекается постоянным магнитным полем с индукцией Bz. 77 Рис. 5.12. Схема работы датчика Холла Так как выходное напряжение датчика пропорционально составляющей поля, нормальной к его плоскости, возможно измерение экстремальных значений напряженности. Преобразователь имеет линейную зависимость выходного напряжения от напряженности поля в широких пределах. Магниторезисторы. В магниторезисторах используется эффект изменения сопротивления проводника или полупроводника с электрическим током при действии на них магнитного поля соответствующей напряженности. Таким эффектом обладает ряд материалов: антимонид и арсенид индия и галлия (InSb, InAs, GaSb, GaAs), германий (Ge), висмут (Bi), теллур (Те), селенид ртути (HgSe) и др. Чувствительность по напряжению магниторезисторов к слабым магнитным полям меньше, чем у датчиков Холла, поэтому их чаще используют при измерении сильных магнитных полей с индукцией свыше 0,2 Тл. 5.7. Размагничивание изделий После контроля изделие необходимо размагнитить, так как остаточная намагниченность может вызвать нежелательные последствия [2]. Например, поверхности плохо размагниченных подшипников, других вращающихся и соприкасающихся при работе деталей притягивают ферромагнитные продукты износа, что вызывает ускоренный выход деталей из строя. При быстром вращении намагниченных деталей в соседних массивных деталях могут возбуждаться значительные 78 вихревые токи. Неразмагниченные детали могут нарушить ход часов и тому подобных механизмов [5]. Любое размагничивание (кроме нагревания КО выше температуры Кюри) сводится к периодическому изменению величины и направления магнитного поля, в котором находится КО, с постепенным уменьшением этого поля до нуля. На рис. 5.13 представлен график изменения индукции в детали при размагничивании. Когда напряженность размагничивающего поля достигнет нулевого значения, остаточная индукция в детали будет также близка к нулю. Обычно применяют следующие способы размагничивания: медленное протаскивание намагниченного КО через отверстие катушки, питаемой переменным током частоты 50 Гц. Деталь удаляют на расстояние не менее 1 м от катушки. В этом случае переменное поле, обладая ограниченной глубиной проникновения, эффективно размагничивает только поверхностный слой детали; непосредственно через деталь с постепенным уменьшением его до нуля; коммутацию постоянного тока в соленоиде или в обмотках электромагнита с постепенным снижением тока до нуля; использование электромагнита, питаемого переменным током, постепенно снижаемым до нуля. Лучший результат достигается с использованием тех же средств, что применялись при намагничивании. Начальное поле размагничивания должно быть не меньше поля, действовавшего при намагничивании. Ток не должен выключаться, когда деталь находится в сфере влияния поля; направления намагничивающего и размагничивающего полей должны совпадать. Для качественного контроля размагничивания можно использовать притяжение малых магнитных масс. С этой целью подводят нижний конец цепочки из 6–10 канцелярских скрепок к детали и по отклонению цепочки от вертикального положения (вследствие ее притяжения к детали) судят о размагниченности детали. Намагниченные детали из магнитожестких материалов после проведения контроля должны быть размагничены во избежание налипания на них металлических стружек и опилок, которые в последующем могут попасть в подшипники, направляющие, зубчатые передачи и другие узлы и вывести их из строя. Качество размагничива- 79 ния можно проверить с помощью магнитометра, магнитной стрелки или с помощью бритвенного лезвия, подвешенного на нитке. Существует три способа размагничивания [5]: • статический; • динамический; • термический. Статическое размагничивание осуществляется при помощи внешнего магнитного поля, которое приводит намагниченность магнитного материала к такому значению, что при удалении поля она становится равной нулю. Для динамического размагничивания деталь помещают в переменное магнитное поле с амплитудой, равномерно уменьшающейся от некоторого максимального значения до нуля. При этом происходит постепенное перемагничивание в соответствии со схемой, приведенной на рис. 5.13. В ряде случаев может быть использован более эффективный способ размагничивания – нагрев изделия до температуры точки Кюри, при которой магнитные свойства материала пропадают. Этот способ имеет весьма ограниченное применение, так как при нагреве могут изменяться механические свойства материала. Магнитные дефектоскопы состоят из следующих основных узлов: источника тока, устройства для подвода тока к детали и ее полюсного намагничивания, магнитного преобразователя для индикации магнитного поля, осветительного устройства, измерителя тока или напряженности магнитного поля. Рис. 5.13. Схема динамического размагничивания 80 В зависимости от назначения в дефектоскопах могут быть не все из перечисленных узлов, но могут быть и дополнительные узлы (например, узлы для автоматического перемещения детали и механической разбраковки, дефектоотметчики и т.п.). 5.8. Дефектоскопия стальных канатов Подъемные устройства различных типов применяют на большинстве объектов нефтегазовой промышленности в качестве основного и вспомогательного оборудования. Основным видом гибких грузовых элементов подъемных устройств являются стальные канаты. Магнитный неразрушающий контроль в последние годы все более широко начинает применяться для дефектоскопии таких канатов, изготовленных из ферромагнитных материалов. Та же аппаратура может быть использована и для контроля длинных стержневых деталей, например таких, как штанги глубинных насосов [1]. Принцип магнитной дефектоскопии основан на оценке магнитного потока вдоль участка каната и регистрации изменений в его распределении. Эти изменения могут быть обусловлены рядом причин: изменением площади поперечного сечения каната, наличием обрывов проволок, изменением магнитных свойств материала проволок, например из-за локального термического воздействия, приводящего к изменению структуры металла. Дефектоскопию стальных канатов осуществляют с использованием переменного или постоянного магнитного поля (РД 03–348–00 «Методические указания по магнитной дефектоскопии стальных канатов»). При использовании переменного магнитного поля магнитный поток вдоль продольной оси участка контролируемого каната создают посредством возбуждающей индуктивной катушки с переменным током, охватывающей канат. Измерительная катушка также охватывает канат, и в ней индуцируется ЭДС, зависящая от площади поперечного сечения каната по металлу. Метод переменного магнитного поля используют, как правило, только для измерения потери сечения каната. Метод постоянного магнитного поля используют как для измерения потери сечения каната, так и для обнаружения локальных дефектов. Постоянный магнитный поток вдоль продольной оси участка контролируемого каната создают постоянными магнитами или электромагнитами постоянного тока [1]. Общий магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами или электромагнитом (часть этого 81 потока), измеряют датчиками Холла либо другими датчиками, пригодными для измерения абсолютного значения магнитного потока или изменений этого потока. Сигнал датчиков зависит от магнитного потока, проходящего через участок контролируемого каната и, следовательно, от поперечного сечения этого участка по металлу. Локальные дефекты каната, например обрывы проволок, создают вблизи дефектов магнитные потоки рассеяния, которые регистрируются датчиками Холла, катушками или другими магниточувствительными элементами. Сигналы датчиков зависят не только от размеров локальных дефектов, но и от их типа и положения, поэтому определить количественно параметры дефектов обычно затруднительно. Качественный анализ полученной информации о локальных дефектах выполняют по дефектограммам на основании накопленного опыта. В различных странах мира в настоящее время выпускается около 15 моделей канатных дефектоскопов. В России выпускаются две модели: УДК-3 (изготовляется в г. Екатеринбурге) и «Интрос» (изготовляется в г. Москве). Известной моделью является российский дефектоскоп «Интрос». Дефектоскоп «Интрос» состоит из электронного блока (ЭБ) и магнитной головки (МГ) со сменным блоком датчиков (БД). К ЭБ может быть подключена любая МГ для контроля соответственно круглых и плоских стальных, а также резинотросовых канатов. Одновременно к ЭБ может быть подключена только одна МГ. Принципиальная схема магнитной головки для круглых канатов с блоком датчиков представлена на рис. 5.14. Рис. 5.14. Схема магнитной головки дефектоскопа «Интрос» для круглых канатов: 1 – счетчик метража; 2 – магнитная головка; 3 – локальный дефект; 4 – блоки датчиков; 5 – канат 82 Магнитная система МГ намагничивает участок контролируемого каната. Магнитные поля рассеяния, вызванные дефектами каната, создают на выходе блока датчиков электрический сигнал, который после усиления и преобразования в цифровую форму обрабатывается в микропроцессоре. В микропроцессор поступают также импульсы со счетчика метража. Получаемая информация запоминается и выводится на световой индикатор ЭБ, а также может быть передана на внешний компьютер для хранения, обработки и последующего анализа. Конструктивно МГ выполнена в виде постоянного разъемного магнита вместе со съемными БД. МГ рассчитана таким образом, что контролируемый канат предварительно промагничивается до насыщения. При износе каната и уменьшении его диаметра параметры петли гистерезиса и величина Bs также уменьшаются. Изменение величины индукции В измеряется датчиками Холла, установленными в БД. Рис. 5.15. Примеры дефектограмм по каналам ПС и ЛД Магнитный поток, проходящий через канат, при уменьшении сечения каната уменьшается, а по воздуху – увеличивается, так как напряженность поля постоянных магнитов МГ остается неизменной. Датчики Холла измеряют магнитный поток Ф0, а также тангенциальную составляющую потока рассеяния АФД над локальным дефектом в канате. Получаемая с блока датчиков информация записывается по двум каналам: каналу потери сечения (ПС) и каналу локальных дефектов (ЛД). Обработка на компьютере и анализ полученных дефектограмм позволяют оценить как общую потерю сечения каната, так и 83 наличие локальных дефектов (обрывов проволоки) как на поверхности, так и внутри каната. Примеры дефектограмм приведены на рис. 5.15. Наиболее сложной задачей в области дефектоскопии стальных канатов является контроль их состояния в местах заделки в муфты, где часто возникает интенсивная коррозия проволок. Основных причин этого явления несколько. Во-первых, перед заливкой муфт легкоплавким сплавом (цинк, баббит и др.) концевой участок каната подвергается травлению кислотой и нанесению флюса на его основе. Вовторых, часть каната, выходящая из муфты, длиной 5–10 см обвязывается мягкой проволокой, задерживающей пыль и влагу. Основной проблемой контроля каната в зонах заделки является влияние массивной муфты и сопутствующих элементов (натяжных болтов и др.) на величину магнитного потока, измеряемого прибором. Контрольные вопросы 1. Для изделий из каких материалов можно применять МНК? Какие дефекты можно обнаружить этими видами контроля? 2. Чем определяется выбор способа намагничивания? 3. Как направлены силовые линии магнитного поля при полюсном и циркулярном намагничивании? 4. Почему полюс магнита при параллельном намагничивании перемещают в направлении, перпендикулярном предполагаемому направлению дефектов? 5. Какой способ намагничивания предпочтительнее для контроля продольных трещин на цилиндрических и конических поверхностях? Для выявления трещин на торцевой, боковой внутренней и внешней поверхностях тонкостенных колец? Поперечных трещин на внутренней поверхности толстостенного стакана? 6. От каких факторов зависит глубина проникновения магнитного поля? 7. Какие основные операции необходимы для проведения МНК? 8. Какие основные виды регистрации дефектов при МНК известны? 9. Каким образом можно сохранить результаты контроля для последующего анализа? 10. Почему при порошковой дефектоскопии над дефектом возникает валик из частиц магнитного порошка? 84 6. ВИХРЕТОКОВЫЙ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И ТЕПЛОВОЙ ВИДЫ КОНТРОЛЯ 6.1. Вихретоковый вид контроля Вихретоковый вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимым в объекте контроля этими токами [1, 5, 6]. Параметры наведенного поля определяются геометрическими и электромагнитными характеристиками контролируемого объекта. Результаты этого взаимодействия зависят от величины и характера как внешнего, так и наведенного полей. Для создания внешнего электромагнитного поля чаще всего используют индуктивные катушки, через которые пропускают переменный ток соответствующей частоты. Устройство, состоящее из одной или нескольких индуктивных катушек, предназначенное для возбуждения в объекте контроля вихревых токов и преобразования зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в электрический сигнал, называется вихретоковым преобразователем. Вихревые токи возникают в электропроводящих телах под воздействием изменения внешнего магнитного поля, которое может происходить как за счет изменения магнитного потока во времени, так и в результате относительного перемещения электропроводящего тела и магнитного потока. Замыкаясь в электропроводящем теле, вихревые токи образуют электрические контуры, индуцирующие встречный магнитный поток, сцепляющийся с внешним магнитным полем. В результате взаимодействия этих встречных магнитных потоков происходит изменение ЭДС измерительной или полного электрического сопротивления возбуждающей индуктивных катушек преобразователя. Величины этих изменений, являющихся первичным информативным параметром, зависят от параметров объекта контроля, величины напряженности внешнего электромагнитного поля Ни и расстояния а до объекта контроля. Токовихревой контроль основан на анализе изменения электромагнитного поля вихревых токов под действием тех или иных неоднородностей КО. Так как вихревые токи могут возбуждаться в электропроводящих материалах, этот метод контроля может быть использован для любых металлов. 85 Возбудителем вихревых токов может быть поле движущегося магнита, переменное поле тока в проводе, волна радиоизлучения. Чаще всего вблизи поверхности контролируемого изделия помещается возбуждающая вихревые токи катушка индуктивности с переменным током или комбинация нескольких катушек. В свою очередь электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них электродвижущую силу или изменяя их полное сопротивление. Сигнал может формироваться в той же обмотке, по которой идет возбуждающий ток, или же используется дополнительная катушка или катушки. Для контроля все изделие или его часть помещают в поле датчика (рис. 6.1). б а Рис. 6.1. Линии напряженности магнитных полей H0, HВ и плотности вихревых токов д при контроле накладным (а) и проходным (б) датчиком Вихревые токи возбуждают переменным магнитным потоком Ф. Информацию о свойствах изделия датчик получает через магнитный поток Ф, созданный вихревыми токами. Векторы напряженности возбуждающего поля Н и поля вихревых токов Н направлены навстречу друг другу; электродвижущая сила в обмотке датчика пропорциональна разности потоков Ф – Ф. Регистрируя напряжение на катушке или ее сопротивление, можно получить сведения о контролируемом изделии. Напряжение и сопротивление катушки зависят от многих параметров, что обусловливает широкие возможности ТВК (дефектоскопия, толщинометрия, структурометрия, сортировка металла по маркам, контроль состояния поверхности и т.д.). С другой стороны, это обстоятельство затрудняет 86 разделение информации о различных параметрах объекта и требует использования специальных способов фильтрации шумов. Для анализа изменения электромагнитного поля обычно используют активное и индуктивное сопротивление катушки, амплитуду напряжения, сдвиг фаз измеряемого и опорного напряжений. Глубина проникновения вихревых токов зависит от частоты электромагнитных колебаний, электрических и магнитных характеристик металла, формы катушки и поверхности изделия. Обычно она колеблется от долей миллиметра до 1–3 мм. Чувствительность метода зависит от многих факторов – при благоприятных условиях удается выявить трещины глубиной 0,1–0,2 мм протяженностью 1–2 мм, расположенные на глубине до 1 мм. ТВК можно проводить без контакта между катушкой и металлом, зазор может составлять от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Это позволяет свободно перемещать преобразователь, что существенно для автоматизации процесса контроля. Выходной величиной ТВК является электрический сигнал, что позволяет автоматически регистрировать результаты контроля. Еще одно преимущество метода – возможность осуществления контроля с большой скоростью, соизмеримой со скоростью механической обработки КО. Достоинствами вихретокового контроля являются сравнительная простота, высокая производительность и чувствительность. Для поверки чувствительности преобразователей и настройки аппаратуры контроля используют стандартные образцы с дефектами, разрабатываемые на каждый типоразмер контролируемых изделий и подвергаемые метрологической аттестации согласно ГОСТ 8.315–83. Важным достоинством вихретокового контроля является также то, что его можно проводить при отсутствии непосредственного контакта между преобразователем и объектом контроля [3]. Наличие изоляционных и лакокрасочных покрытий, толщина которых не превышает предельную величину, а также загрязнение поверхности проведению контроля не препятствуют. Вихретоковый метод эффективно используют для контроля металлоконструкций технологического оборудования в зонах концентрации напряжений, в первую очередь в околошовных зонах сварных швов, а также для контроля валов, штоков, гильз и других подобных деталей, имеющих концентраторы напряжений в виде шпоночных пазов, галтелей, проточек, резьб и др. Вместе с тем этот метод не применяют для контроля самих сварных швов с неудаленным усилением, 87 поэтому при диагностировании сосудов и аппаратов нефтегазовой промышленности вихретоковый контроль целесообразно использовать в сочетании с ультразвуковым, радиационным или акустико– эмиссионным методами. Преобразователи для ТВК. Токовихревой дефектоскоп состоит из генератора, преобразователя, усилителя, анализатора изменения поля (амплитудный или частотный детектор, фазочувствительный элемент) и индикатора [1]. В настоящее время разработано большое количество различных конструкций преобразователей, которые принято классифицировать по следующим признакам: • по типу преобразования параметров объекта контроля в выходной сигнал вихретокового преобразователя; • по способу соединения катушек преобразователя; • по расположению преобразователя относительно объекта контроля. По первому признаку преобразователи разделяют на параметрические и трансформаторные. Параметрический преобразователь имеет лишь одну индуктивную возбуждающую катушку, активное и реактивное сопротивление которой зависит от параметров объекта и условий его контроля. Трансформаторный вихретоковый преобразователь содержит не менее двух индуктивно связанных катушек (возбуждающих и измерительных) и преобразует контролируемый параметр в ЭДС измерительной катушки. По второму признаку вихретоковые преобразователи делят на абсолютные и дифференциальные. Абсолютным называют вихретоковый преобразователь, сигнал которого определяется абсолютным значением параметра объекта контроля, дифференциальным – сигнал которого определяется приращением параметра объекта контроля. В зависимости от расположения относительно объекта контроля преобразователи разделяют на проходные, накладные и комбинированные. В свою очередь проходные разделяют на наружные, внутренние, погружные и экранные. При диагностировании нефтегазового оборудования с применением вихретокового вида контроля обычно применяют накладные трансформаторные преобразователи карандашного типа. Схема контроля с использованием таких преобразователей приведена на рис. 6.2. Вихревые токи в объекте контроля возбуждаются с помощью индуктивной катушки. Напряженность магнитного поля, созда- 88 ваемого индуктивной катушкой, составляет НИ, напряженность встречного магнитного поля, создаваемого вихревыми токами, – НВ. Результаты взаимодействия этих полей регистрируют с помощью измерительной катушки. Рис. 6.2. Схема вихревого контроля: 1 – силовые линии; 2 – индуктивная катушка; 3 – измерительная катушка; 4 – контролируемый объект В зависимости от заданного параметра контроля существуют различные схемные решения приборов и различные преобразователи. Преобразователи ТВК по рабочему положению относительно КО делят на накладные и проходные [3]. Накладные преобразователи представляют собой одну или несколько катушек, подводимых торцом к поверхности объекта (рис. 6.3, а). Их выполняют с ферритными сердечниками, повышающими чувствительность и локализирующими зону контроля, или без них. Электромагнитная волна от полезадающей системы распространяется в направлении КО (рис. 6.1, а). Накладные преобразователи применяют для контроля плоских поверхностей или для деталей сложной формы, а также в тех случаях, когда требуется обеспечить локальность контроля и высокую чувствительность. Проходные преобразователи бывают наружные и внутренние (рис. 6.3, б). Электромагнитная волна от полезадающей системы в этом случае распространяется вдоль поверхности КО (рис. 6.1, б). 89 Проходные преобразователи применяются для линейно– протяженных изделий [2, 3] и охватывают КО, движущийся внутри катушки, либо движутся сами внутри объекта (например трубы). Проходные преобразователи менее чувствительны к локальным изменениям свойств КО. В зависимости от способа соединения обмоток преобразователя различают абсолютные (выходной сигнал определяется абсолютными параметрами КО и их изменением) и дифференциальные (выходной сигнал определяется разницей свойств двух рядом расположенных участков) датчики. Абсолютные датчики используют для контроля электропроводности и проницаемости материала, размеров, сплошности. Дифференциальные преобразователи более чувствительны, но для протяженных дефектов позволяют определить только начало и конец дефекта. а б Рис. 6.3. Расположение накладных (а) и проходных (б) преобразователей: 1 – возбуждающая катушка; 2 – измерительная катушка По электрическим свойствам сигнала различают параметрические и трансформаторные преобразователи. В первых сигналом служит приращение комплексного сопротивления, во вторых – приращение комплексного напряжения, возникающего в одной или нескольких измерительных обмотках. В первых датчиках сигнал формируется в той же обмотке, по которой идет возбуждающий ток. В трансформаторных датчиках измерительная обмотка может быть размещена на той же катушке (рис. 6.3) или на другой. Такие датчики имеют более высокую температурную стабильность. Параметрические датчики более просты конструктивно, частотный диапазон работы у них шире. Если измерительные датчики выполнены отдельно от полезадающих, то обычно они располагаются вблизи поверхности КО. 90 6.2. Электрический вид контроля Электрический вид неразрушающего контроля (ГОСТ 25315–82) основан на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с объектом контроля или возникающего в объекте контроля в результате внешнего воздействия [1, 5]. В процессе технической диагностики нефтегазового оборудования методы электрического контроля используют в первую очередь для оценки целостности изоляционных покрытий. Преждевременные коррозийные повреждения оборудования происходят главным образом из-за разрушения покрытий, наличия в них микроотверстий, уменьшения толщины, пузырьков и других нарушений сплошности. Контроль состояния изоляции осуществляют обычно электропараметрическим (методом «влажной губки») и электроискровым («высоковольтным») методами. Электроискровой метод основан на пробое воздушных промежутков между касающимся поверхности сухого изоляционного покрытия щупом или щеточным электродом, подключенным к одному полюсу источника высокого напряжения, и самим защищаемым объектом (например подземным резервуаром), подключенным к другому полюсу источника высокого напряжения непосредственно или через грунт при помощи заземлителя. На основе этого метода разработан ряд моделей электроискровых дефектоскопов. Так, на рис. 6.4 приведен общий вид электроискрового дефектоскопа КРОНА–2И, серийно изготовляемого АО «ИНТРОСКОП» и предназначенного для контроля эпоксидных, битумных, полимерных и эмалевых покрытий трубопроводов. Этот же прибор может быть использован для контроля защитных неэлектропроводящих покрытий других изделий любой конфигурации. Рис. 6.4. Электроискровой дефектоскоп КРОНА-2И 91 Для количественной оценки состояния изоляционных покрытий широко применяют также электропараметрический метод контроля, основанный на измерении электрических параметров объекта контроля [1]. Для изоляционных покрытий важнейшим параметром является величина переходного сопротивления между покрытием и основным металлом. В частности, величина переходного сопротивления является по РД 12–411–01 одним из основных параметров, определяющих остаточный ресурс подземных стальных газопроводов. Электрическая схема измерения переходного сопротивления изоляционного покрытия по РД 12–411–01 (методом «влажной губки») приведена на рис. 6.5. Рис. 6.5. Электрическая схема измерения переходного сопротивления изоляционного покрытия трубопровода: 1 – механический контакт; 2 – электрод-бандаж; 3 – тканевое полотно; 4 – изоляционное покрытие; 5 – труба Перед проведением испытания на участке измерения переходного сопротивления с поверхности изоляционного покрытия газопровода тщательно удаляют загрязнения и влагу. В дистиллированной воде приготовляют 3 %-ный раствор соды (Na2C03) и смачивают им тканевое полотно 3, которое накладывают на изоляционное покрытие 4 по всему его периметру. Поверх устанавливают металлический электрод-бандаж 2, плотно облегающий тканевое полотно. Собирают электрическую схему согласно рис. 6.5. Отрицательный полюс источ- 92 ника питания G посредством механического контакта 1 присоединяют к зачищенному до металла участку трубы 5. Измерения по схеме, показанной на рис. 6.5, проводят не менее трех раз при разных режимах. Величину переходного сопротивления вычисляют для каждого значения измеряемой силы тока. За фактическое сопротивление, учитываемое в расчете остаточного ресурса, принимают среднюю арифметическую величину по результатам трех измерений. Помимо отмеченных выше методы электрического вида неразрушающего контроля применяют и в других случаях: например, при зондировании методом измерения сопротивления или электрической емкости грунта под днищем стальных вертикальных резервуаров с целью выявления наличия и определения местоположения диэлектрических аномалий. Аномалии с повышенной по сравнению с фоновыми значениями удельной проводимостью или диэлектрической проницаемостью относят к скоплению ржавчины или скоплению воды в месте нахождения хлопуна. Аномалии с пониженной проводимостью или диэлектрической проницаемостью относят к скоплению нефти и нефтепродуктов в грунтовом основании резервуара. Данный метод позволяет обнаружить зоны утечки нефтепродуктов через днище резервуара, повышенного коррозийного износа днища при высоком уровне фунтовых вод, а также идентифицировать вид дефекта: отпотина, утечка, повышенная коррозия и хлопун днища. Методика измерения сопротивления или электрической емкости грунта в основании резервуара приведена, например в РД 153–112– 017–97, применяемой АО «Акционерная компания трубопроводного транспорта нефтепродуктов «ТРАНСНЕФТЕПРОДУКТ». При диагностировании бурового оборудования электропараметрический метод служит основным методом контроля коррозии обсадных труб. Степень коррозии при этом оценивается косвенным методом по величине продольного электрического сопротивления трубы, измеряемого с помощью контактного зонда, опускаемого в скважину. В практике диагностирования подземных трубопроводов применяется аппаратура бесшурфового нахождения повреждения изоляции (АНПИ), работа которой основана на регистрации характера изменения потенциалов вдоль трассы трубопровода. Методы электрического вида неразрушающего контроля в обязательном порядке используют при контроле электростатической безопасности резервуаров и трубопроводов, а также при контроле эффективности средств их 93 электрохимической защиты путем измерения поляризационных потенциалов [19]. 6.3. Тепловой вид контроля Методы теплового вида контроля (ГОСТ 23483–79) основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термометрическим чувствительным элементом (термопарой, фоторезистором, термоиндикаторами, пирокристаллом и т.п.) и преобразовании параметров поля (интенсивности, температурного градиента, контраста, лучистостей и др.) в параметры электрического или другого сигнала и передаче его на регистрирующий прибор [1, 5]. Температурное поле поверхности определяется особенностями процессов теплопередачи, зависящими в свою очередь от конструктивного исполнения контролируемого объекта и наличия внешних и внутренних дефектов. Основной характеристикой теплового поля, используемой в качестве индикатора дефектности, является величина локального температурного градиента. Для контроля применяют пассивные и активные методы. При активном контроле объект подвергают воздействию от внешнего источника энергии, при пассивном такое воздействие отсутствует. Пассивный контроль в общем случае предназначен: для контроля теплового режима объектов; для обнаружения отклонений от заданной формы и геометрических размеров объектов контроля. В свою очередь активный контроль предназначен для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности (трещин, пористости, расслоений, инородных включений), а также изменений в структуре и физико-химических свойствах объекта контроля (неоднородность структуры, теплопроводность структуры, теплоемкость и коэффициент излучения). В зависимости от способа получения информации различают также контактные и бесконтактные способы. В процессе технической диагностики чаще всего применяют бесконтактные способы, обладающие высокой оперативностью и минимальной трудоемкостью. Информация, получаемая бесконтактными тепловыми методами контроля, переносится оптическими электромагнитными излучениями в инфракрасной области. Интенсивность и частота инфракрасного излучения определяется энергией колебательного и вращательного движения молекул и атомов объекта и зависит от его температуры. Основным способом генерирования инфракрасного излучения является нагрев объекта, поэтому это излучение чаще называют тепловым. 94 В качестве основных приборов, регистрирующих это излучение, в настоящее время наиболее широкое применение нашли дистанционные инфракрасные пирометры и тепловизоры. Наибольшие перспективы имеют тепловизоры, позволяющие преобразовать тепловое изображение объекта в видимое. Метод тепловизионного контроля позволяет получать как локальные, так и обзорные тепловые изображения объекта – термограммы, позволяющие выявлять участки с различными температурами поверхности. Дистанционные методы теплового вида неразрушающего контроля широко применяют при технической диагностике нефтегазового оборудования. Так, с их помощью осуществляют обнаружение утечек нефтепродуктов из емкостей, резервуаров и трубопроводов, оценивают состояние их изоляционных покрытий и уменьшение толщины стенок, выявляют несанкционированные подключения к трубопроводам и нарушения залегания их в грунте (разрушение насыпи и обваловки, всплытий и обнажений трубы, деформации трубы из-за сезонных подвижек грунтов и т.д.), осуществляют контроль напряженного состояния металла, выявляют наиболее теплонапряженные узлы машинного оборудования, электрооборудования и т. п. Весьма эффективно применение тепловизоров при контроле состояния изоляции резервуаров, аппаратов и трубопроводов. Наличие дефектных участков определяют по увеличению теплопотерь через изоляцию, что позволяет выявить причину и провести своевременный ремонт или замену изоляции. Тепловизионный контроль является одним из немногих экспресс-методов, позволяющих эффективно выявлять дефекты и определять концентрацию напряжений в емкостном технологическом оборудовании больших габаритных размеров. Методику такого контроля применяют, например при диагностировании вертикальных стальных резервуаров для нефтепродуктов (РД 153–112–017–97). Местоположение концентраторов напряжений в резервуаре при этом выявляют по повышенному инфракрасному излучению, возникающему при упругопластическом деформировании металлоконструкций резервуара нагрузочными тестами. Циклическое нагружение стенки резервуара осуществляют путем заполнения его жидкостью, при этом перед началом нагружения регистрируют температурное поле стенки – «нулевой кадр». Далее резервуар нагружают тестовой нагрузкой (наполняют) и фиксируют соответствующие термограммы. Коэффициент концентрации напряжений определяют отношением приращения мак- 95 симального уровня температур в области дефекта к приращению температуры в бездефектном участке в относительных или абсолютных единицах измерения. Для получения абсолютных значений температур в программу обработки тепловизионного изображения вводят коэффициент излучения поверхности объекта и температуру окружающей среды. При обработке тепловизионных изображений для исключения собственных тепловых полей объекта вычитают «нулевой кадр», полученный перед нагружением, из последующих, полученных после тестового нагружения, и анализируют только приращение температурного поля, вызванное нагрузочным тестом. Данный метод позволяет устойчиво выявлять дефекты и концентраторы напряжений при достижении в этих зонах при тестовой нагрузке напряжений, достигающих 0,9 предела текучести и выше. Контрольные вопросы 1. Для каких материалов возможно использование методов ТВК? 2. От чего зависит плотность вихревых токов? Как изменяется плотность вихревых токов с глубиной? Как изменяется фаза вихревых токов по угловой координате? 3. Как влияет на распределение вихревых токов наличие мелких дефектов? Крупных раковин? 4. Какие виды дефектов нельзя обнаружить методами ТВК? 5. Какие виды датчиков ТВК вам известны? 6. Что такое годограф? Какие разновидности годографов используются при ТВК? Какие факторы влияют на вид годографа и каким образом? 7. Поясните работу мостовой схемы прибора ТВК. Какую схему могли бы предложить вы для устранения остаточного напряжения, наблюдаемого при помещении идентичных изделий в поле неидентичных датчиков? 8. Какие свойства материалов учитываются обобщенным параметром в? Как определить значение диаметра эквивалентного витка для проходного датчика? Для накладного? 96 7. ТЕЧЕИСКАНИЕ 7.1. Термины и определения течеискания, количественная оценка течей Методы течеискания [2, 3, 4], как и методы капиллярного контроля, относятся к виду неразрушающего контроля проникающими веществами [1, 2]. Течеисканием называют вид неразрушающего контроля, обеспечивающий выявление сквозных дефектов в изделиях и конструкциях, основанный на проникновении через такие дефекты проникающих веществ. Течами называют канал или пористый участок перегородки, нарушающий ее герметичность, т. е. течи бывают сквозные и пористые. Часто термин «течеискание» заменяют термином «контроль герметичности». Все сосуды, аппараты и трубопроводы нефте– газохимической промышленности, предназначенные для хранения, переработки и транспортировки жидких и газообразных веществ, подлежат испытанию на прочность и герметичность. Герметичностью называют свойство конструкций препятствовать проникновению через их стенки жидкости, газа или пара. Абсолютно герметичных конструкций не бывает, так как даже при отсутствии течи проникновение пробных веществ через перегородки конструкции может быть обусловлено и чисто диффузными процессами. Поэтому конструкцию называют герметичной, если проникновение газа или жидкости через нее настолько мало, что им можно пренебречь. В условиях эксплуатации вводят понятие нормы герметичности, которое характеризуется суммарным расходом вещества через течи конструкции, при которой сохраняется ее работоспособное состояние. Герметичность конструкции может быть нарушена вследствие ряда причин: • химического взаимодействия материала с технологической средой; • механических повреждений, износа трущихся элементов и уплотнений; • коррозии металла и сварных соединений; • раскрытия разъемных соединений или течей, закрытых в нормальном состоянии, из-за температурных деформаций или превышения внутреннего давления; 97 • деградации свойств конструкционных материалов (основного металла, уплотнений). В процессе испытаний изделий на герметичность используют пробные, индикаторные и балластные вещества. Пробным называют вещество, проникновение которого через течь обнаруживается при течеискании. Балластные вещества используют для создания большого перепада давления и, соответственно, повышения чувствительности испытаний при малых концентрациях пробных веществ. Индикаторными называют вещества, применяемые для индикации нагружения выхода пробных веществ через течь на другую сторону конструкции (проявитель, люминофоры). В качестве пробных веществ применяют жидкости, газы, пары легколетучих жидкостей. В зависимости от пробного вещества методы разделяют на жидкостные или газовые. Шире используют газы, обеспечивающие более высокую чувствительность. В качестве пробных применяют, как правило, инертные газы (гелии, аргон), имеющие низкое содержание в атмосфере и не взаимодействующие с материалом объекта контроля или веществом внутри него. Роль пробного вещества может также выполнять газ, заполняющий контролируемый объект при эксплуатации или хранении (фреон, хлор, аммиак). В некоторых случаях в качестве пробных веществ применяют легколетучие жидкости: спирт, ацетон, бензин, эфир. Обычно индикаторы улавливают пары этих жидкостей, тогда способы контроля такими жидкостями относят к газовым. К жидким пробным веществам относят воду, применяемую при гидроиспытаниях (гидроопрессовке), воду с люминесцирующими добавками, облегчающими индикацию течей, а также смачивающие жидкости – пенетранты. Для количественной оценки течи при применении жидкости в качестве пробного вещества используют объем жидкости, проникающий через течь в единицу времени. При использовании газовых пробных веществ количественную оценку производят в единицах мощности. При контроле герметичности конструкции обычно (за исключением случаев использования пенетрантов) создают по ее сторонам разность давлений. Количество газа q , Нм, определяют по формуле [1]: (7.1) q p V , 98 где p – давление газа, Па или Н/м2; V – объем газа, м3. Поток газа Q, Вт, через течь равен количеству газа за единицу времени [1]: Q q p V . t t (7.2) Физический смысл того, что поток измеряется в единицах мощности, состоит в том, что произведение давления на объем – энергия, запасенная в газе, а изменение энергии во времени – мощность. В смеси газов концентрацию каждого компонента к определяют отношением количества этого компонента qК к количеству q газа в целом [1]: К qК . q (7.3) Объем, занимаемый смесью и всеми ее компонентами, имеет постоянное значение, поэтому [1] К pК V pК . p V p (7.4) Отсюда pК = К p , (7.5) где pК – парциальное давление компонента в смеси газов, т. е. такое давление, при котором только этот компонент смеси газов занимает весь объем. 7.2. Способы контроля и средства течеискания Для контроля герметичности различных конструкций с помощью пробных веществ (за исключением пенетрантов) необходимо создание разности давлений по разные стороны их стенок. При этом помимо пробных веществ требуются устройства для создания и измерения разности давлений (компрессоры, насосы, манометры и др.), а также средства обнаружения выхода пробного вещества через течи. Для обнаружения течей применяют как специальные приборытечеискатели, так и неприборные средства, например, используют люминесцирующие вещества или методы капиллярного контроля [1]. Объекты нефтегазовой промышленности, контролируемые методами течеискания, являются незамкнутыми и позволяют воздействовать как на их внешнюю, так и внутреннюю поверхность. Соответственно по способу создания разности давлений различают схему с 99 внутренним и внешним избыточным давлением. При этом необязательно создавать по разные стороны конструкции разности абсолютных давлений газовой смеси. Достаточно разности парциального давления пробного газа. Способ, при котором для создания разности давлений объект контроля откачивают, называют вакуумным [5]. Способ, предусматривающий создание внутреннего избыточного давления выше атмосферного, называют опрессовкой. При опрессовке газом внутреннее давление принимается всегда значительно ниже расчетного по условию прочности, что обусловлено возможными катастрофическими последствиями от разрыва объекта контроля. При гидроопрессовке разлет осколков не происходит и ее проводят с давлением на 25–50 % выше номинального рабочего. Обязательным условием при этом является отсутствие воздушных скоплений («подушек», «пробок»). Поэтому перед гидроопрессовкой воздух из невентилируемых полостей откачивают, а из вентилируемых выпускают через вентиль, установленный в верхней части полости (воздушник). В общем случае перечень опасных и вредных факторов, сопровождающих процессы испытаний на герметичность, требования промышленной и экологической безопасности приведены в ГОСТ 30703–2001. И для опрессовки, и для вакуумного способа возможны две схемы контроля – интегральная и локальная. При интегральной схеме анализируют состав и количество газа, проникающего в объект контроля извне или, наоборот, изнутри. При локальной схеме поиска каждую течь обнаруживают отдельно с помощью щупа, улавливающего появление пробного газа, вакуумной камеры-присоски или визуально. Например, при контроле герметичности сварных швов вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов применяют локальные вакуумкамеры, в которых создается разрежение над контролируемым участком с перепадом давления не менее 250 мм вод. ст. Неплотность сварного шва обнаруживается по образованию пузырьков в нанесенном на сварные соединения мыльном или другом пенно-образующем растворе. Контроль герметичности при этом осуществляется с помощью комплекта оборудования, состоящего из набора плоских и угловых вакуумных камер-присосок, вакуумного насоса и арматурного блока с вакуумметром. Общий вид такого комплекта, выпускаемого НИКИМТ, приведен на рис. 7.1. 100 Рис. 7.1. Электрическая схема измерения переходного сопротивления изоляционного покрытия трубопровода Локальная схема контроля путем опрессовки применяется, например в соответствии с ПБ 03–605–03 для контроля герметичности сварных швов приварки усиливающих листовых накладок люков и патрубков на стенке резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. Контроль производится путем создания избыточного воздушного давления 400–400 000 мм вод. ст. в зазоре между стенкой резервуара и усиливающей накладкой с использованием для этого контрольного отверстия с резьбой М10х1,5 в усиливающей накладке (рис. 7.2). При этом на сварные швы Рис. 7.2. Конструкция люка-лаза круглого в первом поясе стенки резервуара: 1 – стенка резервуара; 2 – прокладка; 3 – днище; 4 – усиливающая накладка 101 как внутри, так и снаружи резервуара наносится мыльная пленка, пленка льняного масла или другого пенообразующего вещества, позволяющего обнаружить утечки. Основные характеристики наиболее часто используемых методов течеискания приведены в табл. 7.1 (по данным Волгоградского НИИхимнефтеаппаратуры). Таблица 7.1 Основные характеристики методов течеискания Методы течеискания Пробное вещество Индикация течи Максимальная чувствительность, Вт Массспектрометрический (гелиевый) Гелий, гелиевовоздушная смесь Увеличение показаний течеискателя 10-14 Галогенный Хладоно (фреоно) – воздушные смеси 1,3·10-8 Пузырьковый Воздух, азот, вакуум Химический Аммиачновоздушные смеси, углекислый газ Увеличение показаний течеискателя Пузырьки при давлении 0,2 – 1 МПа Пятна на проявителе, индикаторной ленте, меловой массе Течь, видимая невооруженным глазом, падение манометрического давления Течь и свечение в лучах УФС Манометрический Люминосцентногидравлический Гидравлический с люминесцентным покрытием Акустический Вода или технологическая жидкость Вода и люминофор 6,6·10-6 – 2,6·10-9 1,3·10-7 – 1,3·10-8 1,3·10-3 6,6·10-9 Вода Свечение в лучах УФС 6,6·10-8 Воздух, азот, вакуум Увеличесние звукового сигнала течеискателя 6,6·10-6 Помимо перечисленных в табл. 7.1, в ряде специфических случаев применяют и другие методы, например радиоактивный, акустико-эмиссионный, электронозахватный, плазменный и др. Для обнаружения течей могут одновременно или последовательно использоваться несколько методов течеискания. При контроле герметичности в обязательном порядке используют прежде всего методы, реализующие интегральную схему контроля. На практике наибольшее 102 применение нашел манометрический метод, отличающийся максимальной простотой, доступностью и позволяющий установить наличие или отсутствие течи во всем объеме контролируемой конструкции, а также ее величину. Установление местоположения течей производят с использованием методов, реализующих локальную схему контроля. Ниже коротко рассматривается сущность некоторых из них. 7.3. Масс-спектрометрический метод Метод основан на создании повышенного парциального давления пробного вещества (газа) в смеси веществ, с одной стороны, поверхности объекта контроля и отбора проникающего через течи пробного вещества, с другой стороны, для масс-спектрометрического анализа на присутствие молекул пробного газа. Анализ осуществляется путем ионизации пробного вещества с последующим разделением ионов по отношению их массы к заряду под действием электрического и магнитного полей [1, 5]. Основные требования по проведению масс-спектрометрического неразрушающего контроля регламентированы ГОСТ 28517–80. Благодаря серийному выпуску масс-спектрометрических течеискателей метод нашел широкое применение в практике промышленных испытаний. Метод позволяет помимо качественной оценки провести количественные измерения газового потока через течь с точностью до 10%. Вместе с тем этот метод технически сложен, требует вакуума и по возможности его заменяют более простыми методами. Масс-спектрометрический течеискатель состоит из трех основных частей: масс-спектрометрической камеры с магнитом, вакуумной системы и электрических блоков питания и измерения. Своей вакуумной частью он может присоединяться к самому объекту или к щупу в зависимости от выбранной схемы контроля. ГОСТ 28517–80 предусматривает восемь схем реализации масс-спектрометрического метода течеискания. Некоторые из них приведены на рис. 7.3. Наиболее эффективный и удобный метод обнаружения течей реализуется с помощью щупа, соединенного вакуумным резиновым шлангом с течеискателем. При методе обдувки пробным газом наружной поверхности изделия из него откачивается воздух до получения давления 10-5…10-8 МПа и изделие соединяется с вакуумной частью течеискателя. 103 а б в Рис. 7.3. Схемы способов реализации масс-спектрометрического метода течеискания: а – способ обдува; б – способ щупа; в – способ разъемных камер (чехлов); О – испытуемый объект; G – течеискатель; R – щуп; VF – клапан регулировочный; N – насос; K – баллон с пробным газом; D – обдуватель; C – камера, наполненная пробным газом Применяют также метод специальной камеры, который состоит в том, что на испытуемый участок изделия устанавливают герметичную камеру-муфту, соединенную с системой откачки и течеискателем. Воздух из камеры и изделия одновременно откачивают до необходимого вакуума. Затем в изделие под давлением подается пробный газ и после выдержки (не менее 3 мин) производится контроль. Этим методом контролируют течи трубопроводов и изделий небольшого диаметра [5]. В качестве пробного газа обычно используют гелий. Он обладает малой молекулярной массой и хорошо проникает через малые течи. Гелий химически инертен, дешев и безопасен в применении. В атмосферном воздухе он содержится в весьма малых количествах (10-4%), поэтому фоновые эффекты при работе с ним сказываются значительно меньше, чем при применении других веществ. Кроме того, по соотношению массы иона к его заряду (т/е) гелий очень сильно (на 25%) отличается от ближайших ионов других газов, что облегчает его обнаружение и выполнение измерений. Поэтому массспектрометрические течеискатели часто называют гелиевыми. Схема масс-спектрометрической камеры течеискателя приведена на рис. 7.4 [3, 4]. Газы, подлежащие анализу, из испытываемого объекта или от щупа поступают в камеру ионизатора. От накального катода в камеру, находящуюся относительно катода под положительным зарядом, направляется пучок отрицательно заряженных электронов, которые, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их. Фокусировка электронов при этом осуществляется магнитным полем 104 напряженностью Нх. Из образовавшихся в камере ионов с помощью диафрагмы формируется ионный пучок, который разгоняется благодаря разности потенциалов U0 между диафрагмами 3 и 4. Рис. 7.4. Принципиальная схема масс-спектрометрической камеры течеискателя: 1 – накальный катод; 2 – камера ионизатора; 3, 4 – выходные диафрагмы; 5 – входная диафрагма; 6 – коллектор ионов Диафрагма 4 при этом электрически соединена с катодом и заряжена отрицательно относительно диафрагмы 3. Ионы пучка разгоняются до одинаковой энергии , которая определяется по формуле [1]: откуда m 2 e U 0 , 2 2e U 0 , m где – скорость ионов; e – заряд иона; m – масса иона. (7.6) (7.7) Учитывая, что масса ионов различных компонентов анализируемого газа неодинакова, скорость ионов разных элементов также будет различаться. Далее ионы попадают в спектральную камеру, в которой действует магнитное поле напряженностью H, направленное перпендикулярно движению ионов. Под действием силы Лоренца F e H , направление которой определяется по правилу левой руки, ионы будут перемещаться по траекториям в виде окружности радиусом R. Отсюда m 2 e H . R Выразив R и подставив , получим 105 (7.8) R m 1 eH H 2 U 0 m . e (7.9) Так как радиус траектории R зависит от отношения m , в спек- e тральной камере ионный пучок разделяется на ряд пучков, соответствующих фиксированным значениям массовых чисел (т1, т2, ..., mi). Выделив пучок ионов пробного газа (гелия) диафрагмой и расположив за ней коллектор ионов, производят измерения интенсивности этого пучка и, соответственно, интенсивность течи (Вт). Проведение течеискания масс-спекрометрическим методом включает следующие этапы: определение порога чувствительности аппаратуры и течеискания; подача пробного газа снаружи или внутрь контролируемого объекта; определение степени негерметичности объекта и (или) места течи; обработка и оценка результатов течеискания. Порог чувствительности течеискания должен контролироваться по калиброванным течам перед началом испытаний и в процессе их проведения в соответствии с технической документацией, утвержденной в установленном порядке. 7.4. Галогенный и катарометрический методы Галогенный метод течеискания основан на свойстве нагретой поверхности чувствительного элемента, изготовленного из платины или из никеля, резко увеличивающего эмиссию положительных ионов при наличии в пробном газе, проникающем через сквозные дефекты контролируемого объекта, галогенов или галогеносодержащих веществ. На этом свойстве построен галогенный течеискатель, работа которого осуществляется следующим образом [3, 5]: через чувствительный элемент течеискателя, выполняющий функции анода, прогоняют с помощью центробежного или вакуумного насоса анализируемый газ. Анод, нагретый до 800…1 900 °С, испускает ионы содержащихся в нем примесей щелочных металлов (натрия, калия). Под действием разности потенциалов между анодом и коллектором ионы движутся к коллектору. Ток анод-коллектор является измеряемой величиной в галогенном течеискателе. Галогены способствуют процессу ионизации щелочных металлов, и их присутствие в пробном газе резко увеличивает ток анод– коллектор. К галогенам относятся элементы группы галоидов: фтор, хлор, бром, иод. Обычно в качестве пробного газа используют гало- 106 геносодержащие вещества: фреон (содержащий фтор), хладон, хлористый метил и др. Такие вещества относительно дешевы, безвредны и широко применяются в промышленности и в быту (например в бытовых холодильниках). Технология контроля галогенным течеискателем значительно проще, чем масс-спектрометрическим. Галогенный течеискатель сравнительно несложный и легкий прибор. Вместе с тем при проведении контроля в помещении необходима его тщательная вентиляция из-за возникновения повышенного фона, снижающего точность измерений. Недостатком метода является также возможность потери чувствительности – «отравления» анода течеискателя при попадании на него большого количества галогенов. Восстановление «отравленного» анода осуществляется прокачкой через течеискатель большого объема чистого воздуха при повышенном накале анода. Катарометрический метод течеискания основан на регистрации разницы в теплопроводности газа, вытекающего через сквозные отверстия контролируемого объекта. Работающие на этом принципе течеискатели обладают высокой чувствительностью и минимальными размерами. Так, на рис. 7.5 приведен портативный течеискатель Pho Cheer 5000Ex, предназначенный для поиска утечек из резервуаров, сосудов и трубопроводов, а также для текущего контроля окружающей среды на присутствие летучих органических соединений. Основным элементом течеискателя является сенсор, мгновенно определяющий изменение теплопроводности газа. При включении он автоматически калибруется по воздуху. Важным отличием течеискателя является его искробезопасное электрическое исполнение в соответствии с международным стандартом BASEEFA и возможность применения во взрывоопасных помещениях и Рис. 7.5. Контроль окружающей среды с средах. помощью катарометрического течеискателя 107 7.5. Жидкостные методы течеискания Процесс гидроиспытаний, которому подвергаются большинство работающих под давлением объектов в нефтегазохимической промышленности, используют одновременно как способ течеискания. Таким способом обычно удается обнаружить большие течи. Индикация течей осуществляется визуально или по падению манометрического давления. Для облегчения поиска течей и понижения порога чувствительности в пенетрант или пробную жидкость часто добавляют люминофоры. К жидкостным методам течеискания с применением люминофоров относятся люминесцентно-гидравлический и гидравлический с люминесцентным покрытием. Оба метода реализуются одновременно с испытанием объекта контроля на прочность гидравлическим давлением. Их сущность заключается в обнаружении просочившихся или активированных водой капель люминофора при ультрафиолетовом облучении. Люминесцентно-гидравлический метод осуществляется с применением в качестве пробного вещества раствора люминофора в воде, находящейся в испытуемом изделии под давлением. При проникновении пробного вещества через течи люминофор дает свечение при облучении УФС. Недостаток метода – необходимость обесцвечивания люминесцентного раствора перед сбросом его в канализацию. При гидравлическом методе с люминесцентным индикаторным покрытием люминесценция при облучении УФС возбуждается в слое специального покрытия в случае проникновения в него через сквозные дефекты воды, находящейся в испытуемом объекте под давлением. Люминесцентное индикаторное покрытие содержит вещество, удерживающее проникающую в него воду и препятствующее ее испарению, поэтому метод требователен к влажности воздуха на участке испытаний и температуре воды, заливаемой в изделие. Чувствительность обоих методов с применением люминофоров возрастает с увеличением давления внутри объекта. Если гидроиспытания невозможны по технологическим причинам или из-за низкой прочности контролируемого объекта, для обнаружения течей применяют контроль проникающими веществами. Он отличается от рассмотренного в предыдущей теме метода тем, что пенетрант и проявитель наносят на разные стороны перегородки. Та- 108 кой способ применяют, в частности, для контроля герметичности сварных швов вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. В соответствии с ПБ 03–605–03 контроль производят с использованием пробы «мел-керосин» путем обильного смачивания сварных швов керосином. На противоположной стороне сварного шва, предварительно покрытого водной суспензией мела или каолина, течи, при их наличии, проявляются в виде пятен на белом фоне после выдержки в течение не менее 1 ч. Метод с использованием пробы «мел-керосин» является наиболее технологичным при проверке герметичности уторного шва, соединяющего стенку с днищем и представляющего наибольшие сложности для инструментального контроля. 7.6. Акустический метод Этот метод основан на индикации акустических колебаний, возбуждаемых в контролируемом объекте, грунте или окружающей газовой среде (воздухе) при вытекании пробного газа или жидкости через сквозные дефекты. Молекулы пробного вещества взаимодействуют со стенками сквозных дефектов объекта и генерируют в нем колебания звукового и ультразвукового диапазонов. Эти колебания фиксируются с помощью устанавливаемого на поверхности объекта ультразвукового или виброакустического датчика течеискателя, преобразовывающего ультразвуковые колебания в электрические сигналы, передаваемые далее на показывающие и записывающие устройства течеискателя [1]. В настоящее время акустические методы течеискания занимают важнейшее место в контроле герметичности трубопроводов. Наиболее совершенными являются акустические корреляционные течеискатели, датчики которых устанавливают на концах контролируемого участка трубы. Акустические колебания, возникающие при истечении технологической среды и регистрируемые датчиками, усиливаются и по кабелю или радиоканалу передаются на программируемый процессор, где вычисляется их взаимная корреляционная функция. К их числу относится отечественный акустический корреляционный течеискатель Т–2001, разработанный фирмой ИНКОТЕС, позволяющий определить места утечек на расстоянии до 600 м между датчиками. Положение пика корреляционной функции, визуализируемой на экране течеискателя, определяет местоположение течи. Погрешность определения места утечки – 0,1 м на длине обследуемого участка 100 м. Для 109 контроля герметичности емкостного технологического оборудования в качестве течеискателей могут использоваться комплекты акустико– эмиссионной аппаратуры, позволяющие путем планарной локации определять координаты течей. Генерация вибраций грунта или акустических колебаний окружающей газовой среды при протечке газа или жидкости через течи обусловлена превращением кинетической энергии струи в энергию упругих колебаний [1, 2]. Частотный спектр этих колебаний широк: от десятков герц до сотен килогерц. Он зависит от вида и размеров течи, параметров протекающего через нее вещества (плотности, температуры, давления и др.). Принцип действия таких течеискателей основан на преобразовании вибрации грунта или колебаний газовой среды (воздуха) в электрические сигналы, частотной и амплитудной селекции этих сигналов. Непосредственного контакта датчика с объектом при этом не требуется. Например, в переносном акустическом искателе утечек в подземных трубопроводах «АИСТ–4» датчик в процессе контроля последовательно устанавливается на грунт вдоль трассы. Выпускаются также универсальные приборы, имеющие сменные насадки и позволяющие контролировать колебания объекта как контактным методом, так и дистанционно. К ним относятся, например ультразвуковые локаторы ULTRAPROBE, предназначенные для определения мест присосов и утечек газовых и жидкостных сред, дефектоскопии подшипников, мест искрения и коронных разрядов в электрооборудовании. На рис. 7.6 приведен рабочий момент дистанционного контроля состояния изоляторов ЛЭП с помощью ультразвукового локатора ULTRAPROBE™ 2000, снабженного параболической насадкой. Рис. 7.6. Дистанционный контроль коронных разрядов и пробоя изоляции 110 Все современные акустические течеискатели являются компактными переносными приборами, питаемыми от встроенных аккумуляторов. Мощность фиксируемых колебаний растет с увеличением давления и размера течи и уменьшением расстояния до нее. Чувствительность контроля может быть существенно повышена, если дефектную зону объекта смочить жидкостью, например водой. Вытекающий через течи газ образовывает пузырьки, при разрушении которых образуются мощные акустические импульсы. Контроль акустическим методом не требует применения специальных пробных веществ и высокой квалификации исполнителей. Недостатком метода является относительно низкая чувствительность и влияние посторонних шумов различного происхождения. Контрольные вопросы 1.Что такое течи и какие виды существуют? 2. Как регистрируются течи при гидравлических испытаниях? 3. Какие существуют основные виды пузырькового метода течеискания? 4.На каких объектах повышенной опасности применяется химический метод течеискания? 5.Какие основные требования предъявляются к пробному веществу при радиационном методе течеискания? 6.В чем состоит сущность газоаналитических методов течеискания? Какие преимущества гелиевого метода можно выделить? 111 Библиографический список 1. Богданов, Е. А. Основы технической диагностики нефтегазового оборудования : учебное пособие / Е. А. Богданов. – М. : Высшая школа, 2006. – 279 с. 2. Земенков, Ю.Д. Эксплуатация магистральных и технологических нефтегазопроводов. Объекты и режимы работы : учебное пособие / В.О. Некрасов, С.Ю.Подорожников, А.Л. Пимнев / под ред. Ю.Д. Земенкова. – Тюмень : ТюмГНГУ, 2014. – 278 с. 3. Каневский, И.Н. Неразрушающие методы контроля : учебное пособие / И.Н. Каневский, Е.Н. Сальникова. – Владивосток : Изд-во ДВГТУ, 2007. – 243 с. 4. Ковенский, И.М. Испытания сварных соединений деталей и конструкций нефтегазового оборудования : учебное пособие / И.М. Ковенский, В.Н. Кусков. – Тюмень : ТюмГНГУ, 2011. – 120 с. 5. Неразрушающий контроль и диагностика : справочник / ред. : В.В. Клюев. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 2005. – 656 с. 6. Носов, В.В. Диагностика машин и оборудования : учебное пособие, 2-е изд., испр. и доп. – СПб.: Лань, 2012. – 375 с. 7. Федоров, Б.В. Организация службы неразрушающего контроля и диагностики : учебное пособие. – Тюмень : ТюмГНГУ, 2013. – 200 с 8. Фирсов, А.М. Основы неразрушающего контроля материалов и деталей машин : учебное пособие / А.М. Фирсов. – СПб : изд. центр СПбГМТУ, 2009. – 51 с. 112
