Методы неразрушающего контроля

МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

ВВЕДЕНИЕ

Все виды технического контроля деталей и узлов разделяются на 3 группы:

· разрушающий контроль,

· повреждающий контроль,

· неразрушающий контроль.

Разрушающий контроль – это совокупность таких видов контроля, которые требуют отбора проб или вырезки образцов непосредственно из материала объекта, при этом сам объект остается неработоспособным до восстановления мест отбора проб (образцов). К разрушающим видам контроля относятся:

· лабораторный химический анализ материала объекта (требует насверловки определенного объема стружки);

· металлография (исследование структуры металла объекта; требует вырезки шлифов);

· лабораторные механические испытания материала объекта на растяжение, сжатие, изгиб, ударную вязкость (требует вырезки специальных образцов – темплетов).

Повреждающий контроль – это совокупность таких видов контроля, которые производятся непосредственно на объекте, при этом сам объект сохраняет работоспособность, но в местах контроля остаются не препятствующие эксплуатации неустранимые следы. К повреждающим видам контроля, в частности, относятся:

· измерение твердости (твердометрия) вдавливанием специальных инденторов (шарики, алмазные наконечники), при котором на поверхности объекта остается вмятина);

· стилоскопирование (оценка марки стали по составу оптического спектра вольтовой дуги, создаваемой между электродом стилоскопа и поверхностью объекта, на которой остается прижог).

Неразрушающий контроль (НК) – это совокупность таких видов контроля, которые производятся непосредственно на объекте, при этом исправный объект сохраняет работоспособность без какого-либо повреждения материала.

Различают понятия «неразрушающий контроль» и «неразрушающий физический контроль». Из всех видов НК лишь один не относится к категории физических – это визуальный и измерительный контроль (ВИК). Сочетание этих понятий можно выразить формулой:

Неразрушающий контроль = ВИК + Неразрушающий физический контроль.

Неразрушающий физический контроль – это совокупность таких видов НК, которые требуют применения специальных веществ, приборов и технологий.

По степени проникновения в материал все виды НК контроля условно подразделяют на две категории: поверхностные и объемные.

· Поверхностные виды (методы) НК позволяют обнаруживать дефекты, имеющие выход на доступную для контроля поверхность объекта.

· Объемные виды (методы) НК дают возможность обнаруживать преимущественно внутренние дефекты материала, а поверхностные дефекты выявляются, только если они достаточно крупные.

В России классификация неразрушающих физических видов (методов) контроля приведена в стандарте ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий.

Классификация видов и методов» [1]. Этот стандарт предусматривает 9 видов контроля (табл. 1).

Таблица 1

ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

 

Если оператор-диагност осматривает объект без каких-либо специальных увеличительных средств, то это – визуальный осмотр, Но как только оператор взял в руки хотя бы простую увеличительную лупу, это уже оптический вид неразрушающего физического контроля.

Оптический вид контроля включает в себя 3 метода:

1. Наружный метод.

2. Перископический метод.

3. Эндоскопический метод.

Наружный метод позволяет обследовать только легкодоступные наружные поверхности объекта и широкие полости, в которые оператор может проникнуть с простыми средствами оптического контроля (оптической системой). Используя его, нельзя осматривать внутренние поверхности узких, тем более изогнутых полостей. К простым оптическим системам относятся зеркала, линзы, очки, лупы. Более сложные системы наружного оптического контроля – телескопы и микроскопы.

Перископический метод позволяет обследовать узкие длинные прямолинейные полости. Перископы – это смотровые приборы, построенные на базе световодной трубы и линзовой оптики с механическим устройством (рис. 4). Этим методом, к примеру, в энергетике контролируют поверхность осевых каналов роторов паровых турбин. Длина световодной трубы может достигать 6 м.

Эндоскопический метод позволяет обследовать узкие длинные искривленные полости. Эндоскопы – это смотровые приборы, первоначально построенные на базе волоконной и линзовой оптики с механическим устройством, но в настоящее время благодаря интенсивному развитию видеоэлектроники они создаются на основе микровидеокамер, портативных компьютеров, а передающим изображение средством является обычный электрический кабель, длина которого может достигать 40 м. (рис. 5).

 

Рис. 4. Перископический метод оптического контроля

прямолинейной полости

 

а	б

Рис. 5. Эндоскопический метод контроля искривленной полости:
а – с помощью оптоволоконного эндоскопа;
б – с помощью компьютерного эндоскопа

 

 

МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ

Проявление магнитных действий стержневым постоянным магнитом, полученное с помощью магнитных порошков, показано на рис. 16, а. Частицы порошка, имея несколько удлиненную форму, выстраиваются вдоль линий, которые выходят из одного конца магнита и входят в другой. Их принято называть линиями индукции или магнитными силовыми линиями, поскольку именно вдоль них направлены силы, ориентирующие частицы магнитного порошка вокруг магнита (рис. 16, б)

Рис. 16. Картина линий индукции стержневого магнита, полученная

с помощью магнитных порошков (а), и векторный характер магнитного поля (б)

 

 

Магнитному виду контроля подвергаются только ферромагнитные материалы. Этот вид контроля составляют следующие методы:

1) магнитоферрозондовый,

2) магнитографический,

3) магнитопорошковый,

4) метод эффекта Холла,

5) метод магнитной памяти металла.

 

Метод 5 – пассивный, основанный на измерении и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния металла, а методы 1–4 – активные, т.е. требуют предварительного намагничивания объекта, при котором над дефектом образуется собственное магнитное поле – поле рассеяния (рис. 17). Поле рассеяния образуется за счет того, что в таких условиях дефект сам по себе превращается в небольшой магнит с полюсами на краях, между которыми возникает пучок магнитных силовых линий, частично выступающий над поверхностью объекта. Эти методы различаются между собой по способу выявления полей рассеяния над дефектами (табл. 6).

 

Рис. 17. Поле рассеяния над дефектом

 

Метод	Краткое описание	Эскиз
Магнито-ферро-зондовый	Поле рассеяния над дефектом возбуждает ЭДС в датчике – катушке, замкнутой на индикатор
Магнито-графический	Поле рассеяния над дефектом оставляет на магнитной ленте магнитное пятно, которое далее визуализируется в специальном видеомагнитофоне
Магнито-порошковый	При поливе поверхности магнитопорошковой суспензией поле рассеяния над дефектом стягивает на себя частицы черного магнитного порошка
Метод эффекта Холла	Поле рассеяния над дефектом вызывает возникновение электродвижущей силы между гранями датчика (пластины) Холла, представляющей собой прямоугольную пластину из полупроводникового материала

 

Метод эффекта Холла нашел применение для контроля стальных канатов.

 

Наиболее популярен магнитопорошковый метод, при котором слабо раскрытые дефекты визуализируются за счет того, что на них образуются валики черного магнитного порошка, которые в несколько раз шире дефекта и потому различимы глазом. В России магнитопорошковый метод регламентирован стандартом ГОСТ 21105 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод». Этот стандарт классифицирует чувствительность магнитопорошкового метода по трем уровням, возможности и требования которых приведены в табл. 7.

 

Таблица 7.
Классификация чувствительности магнитопорошкового контроля

Уровень чувствительности	Требования к подготовке поверхности	Раскрытие выявляемых дефектов, мкм
Шероховатость, не грубее	Освещенность, лк, не менее
А	Rz 2,5		От 2,5 и более
Б	Rz 40		От 10 и более
В	Не обработанная		От 25 и более

 

 

Существует несколько видов и способов намагничивания деталей и объектов (табл. 8). Эти виды и способы выбирают в зависимости от формы и размеров контролируемой детали, типа намагничивающего устройства и предполагаемой ориентации ожидаемых дефектов.

Лучше всего выявляются дефекты, ориентированные перпендикулярно магнитному потоку.

 

Таблица 8

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

Электрический контроль включает в себя три метода: электропотенциальный, электроискровой и электроемкостный.

 

Электропотенциальный метод предназначен для измерения глубины наружных трещин в металле, выявленных ранее иными методами. Он основан на измерении электрического сопротивления локального исследуемого участка электропроводящего объекта и сравнении результата с сопротивлением аналогичного эталонного (заведомо бездефектного) элемента такой же длины. Речь идет об измерении очень малых значений сопротивления (микроомы), поэтому используется ток высокой частоты, характеризующийся проявлением так называемого скин-эффекта, а в качестве измеряющего устройства применяется измеритель очень малых значений электросопротивления – микроомметр.

Скин-эффект (от англ. skin – шкура) состоит в том, что электрическое поле тока высокой частоты (ВЧ) охватывает не всю высоту сечения проводника, а лишь сегментообразную приповерхностную зону между электродами.

При этом максимальная глубина проникновения тока в материал δ, зависит от частоты тока:

где ω – круговая частота тока, с^–1;

μ _а – абсолютная магнитная проницаемость материала, Гн/м;

σ = 1/ρ – удельная электрическая проводимость материала, Ом^–1·м^–1;

f – линейная частота тока, Гц.

 

 

 

Рис. 28. Принцип действия электропотенциального метода измерения глубины трещины

Как видно из рисунка, при неизменной дистанции L между электродами (обеспечивается конструкцией датчика) электросопротивление R₀ бездефектного участка (вариант а) меньше сопротивления R участка с трещиной (вариант б), так как во втором случае основная часть тока, идущего вблизи поверхности, вынуждена обтекать трещину. Установлено, что существует достаточно выраженная пропорция между глубиной трещины h и разностью этих сопротивлений, что и позволяет применять этот метод.

 

Электроискровой метод предназначен для измерения толщины изолирующих покрытий проводников. Кроме того, электроискровой метод позволяет обнаруживать места сквозного пробоя изоляции. При этом основным элементом аппаратуры является измеритель очень больших значений электросопротивления – мегаомметр, один полюс которого подключается к исследуемому проводнику, а второй – к электроду, которым сканируют поверхность изоляции. В местах, где ее толщина уменьшается, наблюдается пропорциональное этому понижение сопротивления, а там, где есть сквозной пробой, возникает вольтова дуга (искра), поскольку прибор генерирует высокое напряжение до 40 кВ. В этом случае показания индикатора пульсируют.

 

 

 

При электроемкостном методе основным элементом аппаратуры является измеритель емкости – микрофарадометр, один полюс которого подключается к исследуемому проводнику, а второй – к специальной металлической пластине, которой сканируют поверхность изоляции. Проводник и пластина, разделенные изоляцией, в совокупности создают конденсатор. В местах, где есть уменьшение толщины изоляции, наблюдается пропорциональное этому изменение емкости.

 

РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ

Все методы радиационного контроля основаны на пропускании ионизирующего излучения через твердый материал объекта Радиационные методы чаще всего применяют при контроле качества сварных соединений. В эту группу методов входят рентгенографический, гаммаграфический и рентгеноскопический.

Схема рентгенографического метода показана на рис. 33. Источником излучения является специальный генерирующий аппарат, располагаемый по одну сторону от объекта, а на другой стороне крепится рентгеновская фотопленка, упакованная в гибкую светонепроницаемую кассету. Аппарат управляется дистанционно (ДУ) с помощью реле времени, которым задается время просвечивания (экспозиции). Требования к методу изложены в ГОСТ 7512-82 «Контроль неразрушающий. Радиографический метод»

 

Рис. 33. Схема рентгенографического метода

Гаммаграфический метод (рис. 34) отличается от рентгено-графического тем, что здесь применяются негенерирующие (т.е. непрерывно самоизлучающие) мощные естественные источники гамма-излучения – элементы из радиоактивных металлов (уран, стронций, иридий, кобальт), помещенные в специальные переносные свинцовые колбы с дистанционно управляемым затвором. Этот метод характеризуется большей мощностью излучения, чем рентгенографический, и поэтому позволяет осуществлять контроль более толстых стальных объектов – до 40 мм (рентгенографический – до 25 мм). Он не требует электропитания, но лаборатории, применяющие его, должны быть обязательно обеспечены специальным хранилищем для источников излучения и специальным автомобилем для их перевозки

 

Рис. 34. Схема гаммаграфического метода

В отличие от рентгенографического и гаммаграфического рентгеноскопический метод (рис. 35) – стационарный, так как в этом случае мощный рентгеновский аппарат, преобразователь изображения и контролируемый объект должны быть помещены в специальной камере (бункере). Толстые стены камеры выполнены из бетона со свинцовым наполнителем (дробь), помещение снабжено датчиками присутствия, а входная дверь – датчиком закрытия: система не будет работать, если дверь камеры открыта или в камере находятся люди. Из трех рассматриваемых здесь методов рентгеноскопический – самый мощный, он позволяет просвечивать стальные изделия толщиной до 80 мм. Получаемое изображение преобразуется в телевизионное и по кабелю передается на монитор, расположенный в удаленном от рентгенкамеры помещении оператора.

 

 

Рис. 35. Схема рентгеноскопического метода

Все радиационные методы связаны с высокой опасностью. Поэтому специальными нормативными документами предусмотрены следующие особые меры безопасности при их осуществлении:

1. При проведении рентгенографического и гаммаграфического контроля в зоне работ не должно быть посторонних лиц. Эта зона ограничивается радиусом 25 м от места съемки для рентгенографического и 50 м для гаммаграфического метода. При этом источник излучения следует ориентировать в таком направлении, в котором наименее вероятно присутствие людей.

2. Участок проведения рентгенографического и гаммаграфического контроля должен быть обнесен съемным ограждением. В перекрытых проходах и проездах должен быть вывешен знак радиационной опасности:

3. При проведении контроля любыми радиационными методами оператор должен иметь при себе два индивидуальных дозиметра: для контроля окружающего радиационного фона, и для фиксирования накопленной дозы облучения. В процессе экспозиции оператор должен следить за окружающим фоном и в случае превышения допустимого уровня удалиться от источника на безопасное расстояние. Лица, у которых индивидуальным дозиметром зафиксировано превышение допустимой дозы облучения, отстраняются от участия в проведении радиационного контроля на срок, устанавливаемый органами Роспотребнадзора.

4. На наружной стороне дверей помещений для хранения источников излучения, дверей рентген-камер для рентгеноскопического контроля и на бортах спецавтомобилей для перевозки средств гаммаграфического контроля должен быть нанесен знак радиационной опасности. На двери рентгенкамеры рекомендуется смонтировать подсветку знака с загоранием синхронно с включением аппарата. Спецавтомобиль должен быть также снабжен желтым проблесковым маячком и специальным поддоном в днище салона для доставки неисправных источников к месту их захоронения (заклинивание открытого затвора источника гамма-излучения является радиационной аварией, и такой источник ремонту не подлежит).

5. Все лаборатории, осуществляющие радиационный контроль, должны иметь соответствующую лицензию и санитарно-гигиенический паспорт, выдаваемые органами Роспотребнадзора. Отдельными паспортами должны быть обеспечены рентген-камеры и спецавтомобили.

Достоинства радиационных методов – наглядность результатов контроля и возможность выявления мелких округлых дефектов (пор), которые ультразвуковой дефектоскопией определяется ненадежно.

 

Кроме высокой радиационной опасности, радиационные методы обладают следующими недостатками:

· Невозможно обнаружить наиболее опасные плоскостные дефекты, так как они практически не влияют на торможение лучистой энергии: совокупная плотность остается одинаковой в области дефекта и вне ее.

 

· Рентгенографический и гаммаграфический методы характеризуются отсутствием оперативности в получении результатов контроля вследствие необходимости фотохимической обработки и последующей сушки пленки.

· Аппараты для рентгеновского контроля, особенно аппараты непрерывного излучения, достаточно громоздки и тяжелы.

 

В настоящее время, в связи с появлением на рынке средств НК новых ультразвуковых дефектоскопов с развитыми возможностями визуализации обнаруженных дефектов, интерес к радиационным методам постепенно снижается: большинство лабораторий предпочитает применять ультразвуковой контроль, более достоверный и полностью безопасный.

 

АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

В акустических видах контроля используются упругие механические колебания и волны в твердой среде.

Колебательный процесс характеризуется двумя основными величинами: частотой и амплитудой колебаний.

Частота – количество колебаний в секунду. Ее обозначают буквой f. Одно колебание в секунду – 1 герц (Гц). При УЗ-контроле обычно частоту колебаний измеряют в мегагерцах (МГц) – миллионах колебаний в секунду

Длительность одного колебания называют периодом Т. Его измеряют в секундах (с) или микросекундах (мкс):

f = 1/T. (1)

Колебания от точки к точке среды передаются с определенной скоростью – скоростью распространения звука с. Расстояние, пробегаемое волной за один период колебаний, называют длиной волны λ:

λ = cT = c/f. (2)

ТЕПЛОВОЙ КОНТРОЛЬ

Тепловой вид неразрушающего контроля включает в себя методы инфракрасной дефектоскопии и пирометрии.

Инфракрасная дефектоскопия нашла применение в гражданской промышленности лишь в конце 1970-х гг. Метод основан на том, что в местах дефектов металла подогретого объекта или в зонах утонения стенок трубопровода с подогретой средой тепло передается от внутренней к внешней поверхности стенки несколько в большей степени, чем в окружающих бездефектных зонах. Тепловизор преобразует картину теплового распределения на поверхности объекта в видеоизображение. Чувствительность современных тепловизоров исчисляется десятыми долями градуса. Внешний вид некоторых тепловидеокамер показан на фото. Все приборы снабжены лазерным указателем рассматриваемой зоны.

 

На рис. приведены некоторые примеры термограмм – итоговых документов инфракрасной дефектоскопии объектов. Из последнего примера видно, насколько показательны результаты тепловидеосъемки даже при контрасте температур между объектом и внешней средой лишь в 5 ºС.

 

а – перегрев электродвигателя может указывать на недостаточное охлаждение или проблемы с электропитанием	б – разность температур между электроклеммами может указывать на несимметричность нагрузки, неисправность компонентов, разъемов или проводов
в – высокая температура шарикоподшипников является ранним признаком скорого отказа оборудования	г – обнаружено место утечки тепла из жилой квартиры.

 

Инфракрасная дефектоскопия все более широко применяется при диагностике котлоагрегатов, паропроводов, теплотрасс, промышленных вытяжных труб, объектов металлургического производства. Достоинствами метода являются дистанционность и возможность контроля объекта в процессе его эксплуатации. Недостаток – высокая стоимость аппаратуры.

 

Пирометрия – дистанционное измерение температуры объекта – применяется в литейном производстве для оценки температуры расплавов и в теплоэнергетике. Выполняется более простыми приборами – пирометрами. Преимущества аппаратных средств пирометрии заключаются в выведении оператора из зоны действия повышенной температуры.

МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

ВВЕДЕНИЕ

Все виды технического контроля деталей и узлов разделяются на 3 группы:

· разрушающий контроль,

· повреждающий контроль,

· неразрушающий контроль.

Разрушающий контроль – это совокупность таких видов контроля, которые требуют отбора проб или вырезки образцов непосредственно из материала объекта, при этом сам объект остается неработоспособным до восстановления мест отбора проб (образцов). К разрушающим видам контроля относятся:

· лабораторный химический анализ материала объекта (требует насверловки определенного объема стружки);

· металлография (исследование структуры металла объекта; требует вырезки шлифов);

· лабораторные механические испытания материала объекта на растяжение, сжатие, изгиб, ударную вязкость (требует вырезки специальных образцов – темплетов).

Повреждающий контроль – это совокупность таких видов контроля, которые производятся непосредственно на объекте, при этом сам объект сохраняет работоспособность, но в местах контроля остаются не препятствующие эксплуатации неустранимые следы. К повреждающим видам контроля, в частности, относятся:

· измерение твердости (твердометрия) вдавливанием специальных инденторов (шарики, алмазные наконечники), при котором на поверхности объекта остается вмятина);

· стилоскопирование (оценка марки стали по составу оптического спектра вольтовой дуги, создаваемой между электродом стилоскопа и поверхностью объекта, на которой остается прижог).

Неразрушающий контроль (НК) – это совокупность таких видов контроля, которые производятся непосредственно на объекте, при этом исправный объект сохраняет работоспособность без какого-либо повреждения материала.

Различают понятия «неразрушающий контроль» и «неразрушающий физический контроль». Из всех видов НК лишь один не относится к категории физических – это визуальный и измерительный контроль (ВИК). Сочетание этих понятий можно выразить формулой:

Неразрушающий контроль = ВИК + Неразрушающий физический контроль.

Неразрушающий физический контроль – это совокупность таких видов НК, которые требуют применения специальных веществ, приборов и технологий.

По степени проникновения в материал все виды НК контроля условно подразделяют на две категории: поверхностные и объемные.

· Поверхностные виды (методы) НК позволяют обнаруживать дефекты, имеющие выход на доступную для контроля поверхность объекта.

· Объемные виды (методы) НК дают возможность обнаруживать преимущественно внутренние дефекты материала, а поверхностные дефекты выявляются, только если они достаточно крупные.

В России классификация неразрушающих физических видов (методов) контроля приведена в стандарте ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий.

Классификация видов и методов» [1]. Этот стандарт предусматривает 9 видов контроля (табл. 1).

Таблица 1