Рисунок 7 Принцип действия магнитопорошкового контроля
 Скачать 0.8 Mb.
|
|
В магнитопорошковом контроле используется одно или несколько магнитных полей для обнаружения поверхностных и приповерхностных неравномерностей в ферромагнитных материалах. Магнитное поле может создаваться с помощью постоянного магнита или электромагнита. При использовании электромагнита поле присутствует только при подаче тока. Когда магнитное поле сталкивается с разрывом, поперечным направлению магнитного поля, силовые линии создают собственное поле рассеяния магнитного потока, как показано на рисунке 7 [1].  Рисунок 7 – Принцип действия магнитопорошкового контроля Ферромагнитные частицы, нанесенные на поверхность исследуемого изделия, будут втягиваться в неоднородность, создавая видимую индикацию на поверхности детали. Магнитные частицы могут представлять собой сухой порошок или жидкий растворе, они могут быть окрашены видимым красителем или флуоресцентным красителем, который отчетливо виден в ультрафиолетовом свете [1]. При использовании «жидкого» метода магнитные частицы суспендируются в жидкости (вода или масло); при сухом способе магнитный порошок распыляют в воздухе. Для оптимизации результатов испытаний тщательно контролируются размер, форма и цвет частиц. Частицы окрашены таким образом, чтобы обеспечить хорошее цветовой контраст с проверяемой деталью. При этом магнитные частицы не должны быть токсичными. «Жидкие» частицы обычно используются в стационарных устройствах, где их можно постоянно перемешивать, перекачивать и рециркулировать через распылительную насадку до тех пор, пока жидкость не загрязнится грязью, маслом или посторонними магнитными частицами. Влажные частицы можно использовать в небольшом портативном оборудовании, при условии, что частицы постоянно перемешиваются. Сухие магнитные частицы предназначены для использования с портативным оборудованием и оказываются особенно эффективны на больших деталях с шероховатой поверхностью. Сухие магнитные частицы используются однократно и редко восстанавливаются для повторного использования. При использовании данного метода важно выбирать подходящую концентрацию магнитных частиц. Если концентрация частиц слишком мала, не индикация дефекта может оказаться незаметной; если концентрация магнитных частиц, напротив, слишком высока, может произойти маскирование дефекта [9]. 1.8 Нейтронная дефектоскопияВ нейтронной дефектоскопии в качестве проникающей среды используется интенсивный пучок нейтронов низкой энергии, а не гамма- или рентгеновское излучение, как в обычной радиографии. Генерируемые линейными ускорителями, бетатронами и другими источниками нейтроны могут проникать в большинство металлических материалов, но замедляются большинством органических материалов (включая воду из-за высокого содержания в ней водорода), что позволяет регистрировать эти материалы внутри проверяемого изделия [1]. Различие изображений, полученных с помощью пучка нейтронов, в различных сечениях исследуемого образца сечений позволяет получить информацию о внутреннем распределении неоднородностей в тестируемом образце. В качестве частного случая нейронной дефектоскопии можно выделить нейтронная компьютерную томографию, при которой трехмерная модель исследуемого изделия восстанавливается по совокупности отдельных изображений, полученных при различных угловых положениях образца относительно направления нейтронного пучка [14]. Нейтронная радиография часто используется при проверке компонентов внутри изготовленных устройств, которые обычно не видны с помощью рентгеновской радиографии. Некоторыми приложениями нейтронной радиографии являются проверки изготовленных компонентов многих типов, таких как компоненты, разработанные для авиационной, аэрокосмической и автомобильной промышленности, включая изготовление лопастей газотурбинных двигателей, коррозию, дефекты клеевых соединений, внутренние дефекты и трещины, пустоты или другие типы внутренних дефектов в материалах и т. д [15]. 1.9 Контроль течеисканиемКонтроль течеисканием (тестирование на герметичность) используется для обнаружения сквозных утечек. Выделяют следующие методы контроля течеисканием: пузырьковый, метод падения давления, тестирование с применением «способа щупа» и с применением масс-спектрометра. Эти методы описаны подробнее далее. Принцип работы пузырькового метода контроля заключается в регистрации локальных утечек в объекте по возникновению пузырьков контрольного газа в индикаторной жидкости или на индикаторном покрытии. Метод применяется для контроля герметичности емкостей, гидравлических и газовых систем, находящихся под избыточным давлением. К пузырьковым методам можно отнести метод контроля способом пенопленочного индикатора. На контролируемую поверхность, находящуюся под большим давлением, наносится специальное пенообразующее вещество. Контрольный газ, проникая через дефекты поверхности, оказывает механическое воздействие на пенопленочный индикатор и деформирует его, образуя пузырьки и пенные вздутия. Необходимый перепад давления может создаваться с помощью вакуумного насоса. Для этого на испытываемый объект, например сварной шов, наносится пенопленочный индикатор и устанавливается вакуумная рамка, которая затем вакуумируется с помощью механического насоса. После создания градиента давления на контролируемом участке воздух, проникающий через течи в камеру рамки, образует пузырьки в пенопленочном индикаторе. Регистрация утечки пузырьковым методом продемонстрирована на рисунке 8 [16].  Рисунок 8 – Регистрация утечки пузырьковым методом Контроль методом падения давления может проводиться только в закрытых системах. Обнаружение утечки производится либо путем повышения давления в системе, либо путем создания вакуума, а затем контроля давления. Уменьшение давления или уменьшение уровня вакуума в течение заданного промежутка времени указывает на наличие утечки в системе. Важно отметить, что изменения температуры внутри системы могут привести к изменению давления, поэтому получаемые показания необходимо корректировать с учетом температуры [1]. Другим методом контроля течеисканием является так называемый «способ щупа», при котором исследуемый объект заполняется пробным веществом (контрольным газом) до давления выше атмосферного, после чего наружная поверхность исследуемого объекта контролируется с применением специального щупа, который соединен с детектором течеискателя. В результате перепада давления пробное вещество проникает через имеющиеся дефекты и в месте течи регистрируется щупом и индицируется детектором течеискателя. Кроме того, при использовании данного метода также можно применять масс-спектрометр, что отражено в таблице 1 [14], характеризующий перечень «щуповых» способов и методов контроля течеисканием. Таблица 1 – Перечень «щуповых» способов и методов контроля течеисканием
Как можно видеть из таблицы 1, способ гелиевого щупа с применением масс-спектрометрических течеискателей имеет наивысшую чувствительность. В процессе работы детектор масс-спектрометрического течеискателя селективно выявляет контрольный газ – гелий. Тем не менее, течеискатель достаточно дорог, при этом его реализация возможна только в стационарном виде. Способ атмосферного щупа с использованием катарометрических течеискателей универсален в эксплуатации, однако детектор данного течеискателя не обладает селективностью, и регистрирует все посторонние газы, теплопроводность которых отличается от теплопроводности воздуха. Способ галогенного атмосферного щупа и метод щупа с применением сенсорных течеискательных элементов также не обладают селективностью и помимо этого не обеспечивают индикацию гелия (наиболее безопасного контрольного газа). Также следует отметить неустойчивую работу перечисленных методов и способов в случае загазованности зоны контроля пробным газом. Способ щупа с применением акустических течеискателей не обладает селективностью и чувствительность метода низка. Важно отметить, что при «щуповых» методах контроля не оценивается суммарная степень негерметичности. Вывод о герметичности исследуемого изделия принимается на основании результатов аккуратного и тщательного сканирования поверхности исследуемого изделия щупом течеискателя специалистом по неразрушающему контролю. При этом скорость перемещения щупа течеискателя составляет, как правило, 10-15 см/мин [16]. 1.10 Радиографический контрольРентгенографический (радиографический) контроль работает следующим образом. На тестируемое изделие воздействуют проникающим излучением таким образом, чтобы излучение проходило через проверяемый объект и регистрирующий материал, помещенный на противоположную сторону этого объекта. Для более тонких или менее плотных материалов, таких как алюминий, обычно используется электрически генерируемое рентгеновское излучение (рентгеновские лучи), а для более толстых или плотных материалов обычно используется гамма-излучение. В качестве регистрирующего материала может выступать рентгеновская пленка или один из нескольких типов цифровых детекторов излучения. В обоих случаях излучение, проходящее через тестируемый объект, воздействует на данный материал или детектор, вызывая эффект в виде потемнения областей, соответствующим местам, где через исследуемый образец прошло большее количество излучения, и более светлых областей, где, соответственно, через исследуемый образец прошло меньшее количество излучения. Если в исследуемом образце есть пустота или дефект, через нее проходит больше излучения, что приводит к более темному изображению на пленке или детекторе, как показано на рисунке 9 [1].  Рисунок 9 – Принцип работы радиографического контроля Можно выделить несколько основных методов радиографического контроля: – пленочная рентгенография; – цифровая рентгенография; – компьютерная рентгенография; – компьютерная томография. В пленочной рентгенографии используется пленка, состоящая из тонкого прозрачного пластика, покрытого слоем бромистого серебра с одной или обеих сторон. При воздействии радиации начинается реакция, которая при проявлении пленки окрашивает серебро в черный цвет. В процессе проявления пленки это серебро также закрепляется на пластике, и после высыхания получается готовая рентгенографическая пленка. Чтобы пленка была пригодной для использования, интересующая область (например, зона сварного шва и т.д.) на пленке должна находиться в пределах определенного диапазона плотности (затемнения) и должна обладать достаточным контрастом, чтобы можно было зафиксировать интересующие дефекты. Эти параметры зависят от дозы излучения, расстояния источника до пленки и толщины исследуемой детали. Если какой-либо из этих параметров не соблюдается, для этой области детали необходимо произвести повторную экспозицию (сделать еще один «снимок»). Цифровая рентгенография преобразует излучение, проходящее через объект, непосредственно в изображение, которое может быть отображено на мониторе компьютера. Можно выделить три основные технологии, используемые в прямой цифровой визуализации: аморфный кремний, устройства с зарядовой связью и КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Полученные изображения становятся доступны для просмотра и анализа за считанные секунды по сравнению со временем, необходимым для сканирования в компьютерной рентгенографии, рассмотренной далее. Повышенная скорость обработки является результатом уникальной конструкции пикселей, а также, которое обеспечивает более высокое разрешение, чем в компьютерной рентгенографии и большинстве пленочных приложений. Компьютерная томография использует компьютер для восстановления изображения плоскости поперечного сечения объекта в отличие от обычного рентгенографического изображения, за счет чего можно получить более точное представление о дефектах в исследуемом образце, как продемонстрировано на рисунке 10 [1]. В данном случае изображение создается на основе нескольких снимков, сделанных под разными углами обзора, которые реконструируются с помощью компьютера. При традиционной рентгенографии положение внутренних дефектов не может быть точно определено без снятия нескольких снимков под различными углами для определения местоположения дефекта с помощью триангуляции.  Рисунок 10 – Различие в изображениях рентгенограммы и томограммы Компьютерная рентгенография – это переходная технология между пленочной и цифровой рентгенографией. В этом методе используется многоразовая, гибкая, фотостимулированная люминофорная пластина (PSP), которая загружается в кассету и экспонируется способом, аналогичным пленочной рентгенографии. Затем кассета помещается в лазерный считыватель, где она сканируется и преобразуется в цифровое изображение, что может занимать от одной до пяти минут. Затем изображение может быть загружено на компьютер или другой электронный носитель для интерпретации и хранения [1]. 1.11 Визуальный контрольВизуальный контроль является наиболее часто используемым методом контроля в промышленности. Поскольку большинство методов контроля требуют, чтобы оператор смотрел на поверхность проверяемой детали, визуальный осмотр присущ большинству других методов испытаний. Как следует из названия, визуальный контроль предполагает визуальное наблюдение за поверхностью тестируемого объекта для оценки наличия неоднородностей и дефектов на поверхности. Визуальный может проводиться с помощью прямого осмотра или с использованием различных оптических инструментов, таких как увеличительные стекла, зеркала, бороскопы, компьютеризированные системы просмотра и прочих. Коррозия, физические повреждения и трещины – это лишь некоторые из неоднородностей, которые могут быть обнаружены при визуальном осмотре [1]. Для произведения визуального контроля, как правило, необходим эталон, то есть аналог исследуемого объекта, лишенный дефектов, с которым необходимо производить визуальное сравнение [21]. 1.12 Виброакустический анализВиброакустический анализ относится к процессу мониторинга вибрационных сигнатур, характерных для вращающихся приспособлений, и анализа этой информации для определения состояния данного оборудования. Обычно в данном случае используются три типа датчиков: датчики перемещения, датчики скорости и акселерометры. Датчики смещения используют вихревые токи для обнаружения вертикального и/или горизонтального движения и хорошо подходят для обнаружения осевых движений. В датчиках скорости используется подпружиненный магнит, который перемещается через катушку из провода, при этом внешний корпус датчика прикреплен к проверяемой детали. Катушка из провода движется через магнитное поле, генерируя электрический сигнал, который отправляется обратно на приемник и записывается для дальнейшего анализа. В базовых акселерометрах используется пьезоэлектрический кристалл, который способен преобразовывать звуковые волны в электрические импульсы и обратно, прикрепленный к грузу, который вибрирует из-за движения части исследуемого объекта, к которой прикреплен корпус датчика. Когда груз и, соответственно, пьезоэлектрический кристалл вибрируют, генерируется сигнал низкого напряжения, который проходит через усилитель и подается на записывающее устройство. Акселерометры очень эффективны для обнаружения высоких частот, создаваемых лопастями высокоскоростных турбин, шестернями, а также шариковыми и роликовыми подшипниками, которые движутся со скоростью, намного превышающей скорость валов, к которым они прикреплены [1]. 1.13 Ультразвуковой контрольПрименяя ультразвуковые методы, можно обнаружить дефекты определить их размеры, форму и расположение. Помимо этого, возможно измерять толщину технологических труб и сосудов с помощью ультразвуковых преобразователей. Измерения толщины стенки особенно важны при исследованиях коррозии, когда коррозия может вызывать равномерное уменьшение толщины стенки в течение определенного периода времени, что в конечном итоге приведет к приходу рассматриваемого изделия в негодность. Технологические трубы и сосуды рассчитаны выдерживать лишь определенный конечный уровень коррозии в расчете на ожидаемый срок службы оборудования. При обнаружении неожиданно высоких скоростей коррозии стенка может утончаться достаточно интенсивно, что приводит к формированию опасных условий в отношении номинальных характеристик труб и сосудов под давлением. Если трубы или сосуды станут слишком тонкими, они могут лопнуть, что приведет к значительному повреждению оборудования и поставит под угрозу жизни персонала. По этим причинам многие предприятия имеют активные программы мониторинга коррозии, при которых периодически проводятся измерения толщины стенок всех технологических труб и резервуаров. Ультразвук также можно использовать для определения различий в структуре и физических свойствах материалов. При этом необходимо учитывать, что ряд факторов, таких как: термическая обработка, размер зерна материала и модуль упругости или модуль Юнга могут влиять на затухание ультразвука [9]. Ультразвуковой контроль построен на том же принципе, что и морские гидролокаторы, а также эхолоты. Ультравысокочастотный звук проникает в проверяемую деталь, и, если звук попадает на материал с другим акустическим импедансом (плотностью и акустической скоростью), часть звука отражается обратно к передающему устройству и может быть зарегистрирована на дисплее. Учитывая, что скорость звука через деталь (акустическая скорость), а также время, необходимое для возвращения звука к передатчику известны, можно вычислить расстояние до отражателя (дефекта). Наиболее распространенные звуковые частоты, используемые в ультразвуковом контроле, находятся в диапазоне от 1,0 до 10,0 МГц, они слишком высоки, чтобы быть слышимыми человеку, а также не способны распространяются по воздуху. Более низкие частоты имеют большую проникающую способность, но меньшую чувствительность, в то время как более высокие частоты не способны проникать в исследуемый образец на столько же глубоко, но могут обнаруживать более мелкие дефекты (отражатели). Ультразвуковой контроль на сегодняшний день является одним из наиболее распространенных методов неразрушающего контроля. В последние годы публикуется большое количество публикаций, посвященных ультразвуковому неразрушающему контролю, например, в работе [17] рассматриваются преимущества применения лазерного ультразвука в ультразвуковом неразрушающем контроле, а в работе [18] рассматривается роботизация метода ультразвукового контроля, что позволяет повысить степень автоматизации процесса контроля. Данные публикации подчеркивают актуальность, а также интерес научного сообщества к данному методу неразрушающего контроля. В связи с этим, рассмотрим данный метод более подробно в разделе 2. 1.14 Вывод по первой главеТаким образом, в данной главе было дано определение неразрушающего контроля, его отличия по сравнению с методами разрушающего контроля, а также выделены основные причины его применения. Далее были разобраны факторы, оказывающие влияние на качество неразрушающего контроля, такие как уровень квалификации персонала, условия при которых проводится контроль и др. Были также рассмотрены недостатки организации системы контроля на предприятиях и выявлено, что для повышения уровня управления качеством и управления кадрами требуется переход к новому стилю руководства. После этого были подробно рассмотрены различные разновидности неразрушающего контроля, описаны принципы работы каждого из рассмотренных методов неразрушающего контроля. Отдельно выделен ультразвуковой контроль, который, как было отмечено, оказывается крайне актуальным на сегодняшний день и подвергается большому количеству исследований. 2. Ультразвуковой метод неразрушающего контроля2.1 Принцип работы ультразвукового метода неразрушающего контроляКогда пьезоэлектрический кристалл приводится в действие электрическими импульсами напряжения, кристалл «звенит» на своей резонансной частоте и производит короткие всплески высокочастотных колебаний. Эти последовательности звуковых волн, генерируемые ультразвуковым преобразователем (зондом), передаются в тестируемый материал. Когда зонд находится в непосредственном контакте с тестируемым материалом, говорят о «контактном» неразрушающем ультразвуковом контроле. При наличии дефектов или неоднородностей возникает акустическое несоответствие, и часть или вся ультразвуковая энергия отражается обратно в зонд. Пьезоэлектрический кристалл в зонде преобразует отраженную звуковую волну или «эхо-волну» обратно в электрические импульсы, амплитуды которых связаны с характеристиками дефекта, а время прохождения через материал пропорционально расстоянию от места входа ультразвуковой волны в исследуемый материал до дефекта на котором произошло отражение. Ультразвуковые импульсы также отражаются от задней поверхности материала, и этот сигнал представляет собой общее пройденное расстояние. Импульс, отраженный от задней поверхности, также может характеризовать ширину, длину или толщину материала в зависимости его ориентации исследуемого образца относительно источника ультразвуковой волны. Ультразвуковые дефекты и показания толщины часто отображаются на экране прибора или компьютера. Можно выделить четыре основных режима распространения ультразвуковых волн: Продольные волны Поперечные волны Поверхностные волны или волны Рэлея Нормальные волны или волны Лэмба Продольные и поперечные волны в материале изображены на рисунке 11 [1]. Продольные волны заставляют атомы в детали колебаться вперед и назад параллельно направлению звука, а поперечные волны заставляют атомы вибрировать перпендикулярно направлению звука. Поперечные волны распространяются примерно вдвое медленнее продольных волн.  Рисунок 11 – Продольные и поперечные волны в материале Поверхностные волны распространяются с небольшим затуханием в направлении распространения волны. Однако их энергия быстро уменьшается по мере проникновения внутрь материала. Также поверхностные волны не существуют в случае иммерсионного ультразвукового контроля. Изменение положения атомов материала в данном случае следует по эллипсу, как показано на рисунке 12 [9].  Рисунок 12 – Распространение поверхностной волны в материале Когда ультразвуковая энергия вводится в относительно тонкие пластины, она распространяется волнами Лэмба. Волны Лэмба имеют различные скорости волн. Скорость волны Лэмба зависит от толщины материала и частоты. С волнами Лэмба возможен ряд режимов вибрации частиц, но два наиболее распространенных режима колебательного движения – симметричный и асимметричный, как показано на рисунке 13 [9]. Описываемое сложное движение частиц чем-то похоже на эллиптические орбиты поверхностных волн.  Рисунок 13 – Распространение волны Лэмба в материале Ультразвуковые колебания отражаются на границе раздела двух разных материалов, когда возникает несоответствие акустического импеданса. Акустические несоответствия могут возникать на границе раздела вода–металл, на границе раздела металл–поверхность дефекта или на границе раздела металл–металл, где свойства материалов значительно различаются. Ультразвуковые колебания отражаются на границе раздела двух разных материалов, когда возникает несоответствие акустического импеданса. Акустические несоответствия могут возникать на границе раздела вода–металл, на границе раздела металл–поверхность дефекта или на границе раздела металл–металл, где свойства материала сильно различаются. Ультразвуковые колебания отражаются на границе раздела двух разных материалов, когда возникает несоответствие акустического импеданса. Акустические несоответствия могут возникать на границе раздела вода–металл, на границе раздела металл–поверхность дефекта или на границе раздела металл–металл, где свойства материала сильно различаются. Когда ультразвуковая волна проходит под углом от одного материала к другому, может происходить преломление и отражение. Преломление происходит, когда ультразвуковая волна меняет направление и скорость при пересечении границы между различными материалами. И отражение, и преломление аналогичны тому, что можно наблюдать с помощью световых лучей [9]. Звук вводится в деталь с помощью ультразвукового зонда (преобразователя электрического сигнала в звуковой), который преобразует электрические импульсы от генератора в звуковые волны, а затем преобразует возвращающийся звук обратно в электрические импульсы, которые можно отобразить на цифровом или жидкокристаллическом экране. Если устройство ультразвукового контроля правильно откалибровано, оператор может определить расстояние от преобразователя до отражателя, и во многих случаях опытный оператор может определить тип дефекта (например, пористость или трещины в сварном шве), который привел к отражению сигнала. Поскольку ультразвук не распространяется через воздух (атомы в молекулах воздуха находятся слишком далеко друг от друга для передачи ультразвука), между преобразователем и поверхностью детали используется жидкость или гель для передачи звука в исследуемую деталь [1]. |