Каневский. И. Н. Каневский Е. Н. Сальникова
 Скачать 3.53 Mb.
|
|
1 Федеральное агентство по образованию Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбышева) И.Н. Каневский Е.Н. Сальникова НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ Рекомендовано Дальневосточным региональным учебно- методическим центром в качестве учебного пособия для студентов технических специальностей вузов региона Владивосток • 2007 2 3 УДК 620.179 К 19 Каневский, И.Н. Неразрушающие методы контроля: учеб. пособие / И.Н. Каневский, Е.Н. Сальникова. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. – 243 с. ISBN Учебное пособие подготовлено на основе курса лекций, читаемых авторами на протяжении ряда лет студентам направле- ния «Приборостроение» и специальности «Акустические при- боры и системы». В содержание пособия вошли общие вопросы неразрушающего контроля, понятие о дефектах и их видах, рас- смотрены визуально-оптический, капиллярный, магнитный, токовихревой и радиационный методы контроля. Пособие предназначено для самостоятельной работы студен- тов. В конце каждого раздела приведены вопросы для само- проверки. В приложения вынесены краткие сведения о физичес- ких явлениях, лежащих в основе рассматриваемых неразрушаю- щих методов контроля, словарь терминов и перечень основных единиц измерения. Рецензенты: Б.Н. Грудин, д-р техн. наук, проф. каф. компью- терных систем ДВГУ; Б.И. Друзь, д-р техн. наук, проф. МГУ им. Г.И. Невельского; С.В. Горовой, начальник сектора ОАО «НИИ «Берег». ISBN © ДВГТУ, 2007 ВВЕДЕНИЕ Улучшение качества промышленной продукции, повышение надежности и долговечности оборудования и изделий возможно при условии совершенствования производства и внедрения сис- темы управления качеством. В стандарте ИСО – 8402 «Управление качеством и обеспече- ние качества. Словарь» качество определяется как «совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетво- рять обусловленные или предполагаемые потребности» [1]. При этом под «объектом» в этом определении понимается все, что мо- жет быть индивидуально описано и рассмотрено. В практической деятельности термин «объект» обычно заменяют термином «про- дукция». Система контроля качества продукции является одной из существеннейших частей системы управления качеством. На каж- дом этапе развития общественного производства существовали специфические требования к качеству продукции. На ранних ста- диях становления промышленности основными требованиями к качеству являлись точность и прочность. Масштабы производства позволяли проводить проверку каждого и отбраковку дефектных изделий. 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 произ- водственного процесса. Контроль качества продукции состоит в проверке соответствия показателей её качества установленным требованиям. До недавнего времени на металлургических предприятиях, выпускающих трубы, на контроле было занято до 18-20% рабочих, при этом разрушению подвергались до 10-12% труб от партии. На машиностроительных заводах количество разрушенных деталей порой достигает 15-20% от партии, поскольку после каждой 4 5 основной технологической операции из деталей выполняются образцы для механических и металлографических испытаний. Важными критериями высокого качества деталей машин, механизмов, приборов являются физические, геометрические и функциональные показатели, а также технологические признаки качества, например, отсутствие недопустимых дефектов; соот- ветствие физико-механических 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 опера- ций контроля при одновременном значительном повышении ка- чества и надежности изделий. В настоящее время ни один техно- логический процесс получения ответственной продукции не внед- ряется в промышленность без соответствующей системы нераз- рушающего контроля. 1. ПОНЯТИЕ О НЕРАЗРУШАЮЩИХ МЕТОДАХ КОНТРОЛЯ Неразрушающие методы контроля (НМК), или дефекто- скопия, – это обобщающее название методов контроля материалов (изделий), используемых для обнаружения нарушения сплошности или однородности макроструктуры, отклонений химического сос- тава и других целей, не требующих разрушения образцов мате- риала и/или изделия в целом. Основные требования, предъявляемые к неразрушающим методам контроля, или дефектоскопии: - возможность осуществления контроля на всех стадиях изготовления, при эксплуатации и при ремонте изделий; - возможность контроля качества продукции по большинству заданных параметров; - согласованность времени, затрачиваемого на контроль, со временем работы другого технологического оборудования; - высокая достоверность результатов контроля; - возможность механизации и автоматизации контроля техно- логических процессов, а также управления ими с использованием сигналов, выдаваемых средствами контроля; - высокая надёжность дефектоскопической аппаратуры и возможность использования её в различных условиях; - простота методик контроля, техническая доступность средств контроля в условиях производства, ремонта и эксплуатации. Основными областями применения НМК являются дефекто- скопия особенно ответственных деталей и устройств (атомные реакторы, летательные аппараты, подводные и надводные плава- тельные средства, космические корабли и т.п.); дефектоскопия деталей и устройств длительной эксплуатации (портовые сооруже- ния, мосты, краны, атомные электростанции, котлы, искусственные спутники Земли); непрерывная дефектоскопия особо ответствен- ных агрегатов и устройств (котлы атомных, тепло- и электро- станций), контроль подземных выработок; проведение исследова- ний структуры материалов и дефектов в изделиях с целью усовер- шенствования технологии. 6 7 1.1. Основные виды НМК В зависимости от принципа работы все НМК делятся на акустические (ультразвуковые); капиллярные; магнитные (или магнитопорошковые); оптические (визуально оптические); радиационные; радиоволновые; тепловые; контроль течеисканием; электрические; электромагнитные, или токовихревые (методы вихревых токов). Акустические методы основаны на регистрации колебаний, возбуждаемых или возникающих в контролируемом объекте. Их применяют для обнаружения поверхностных и внутренних дефек- тов (нарушений сплошности, неоднородности структуры, меж- кристаллитной коррозии, дефектов склейки, пайки, сварки и т.п.) в деталях и изделиях, изготовленных из различных материалов. Они позволяют контролировать геометрические параметры при одностороннем допуске к изделию, а также физико-механические свойства металлов и металлоизделий без их разрушения. В настоя- щее время разработаны и успешно применяются теневой, резо- нансный, эхоимпульсный, эмиссионный, велосимметрический, импедансный и метод свободных колебаний. Эти методы называют также ультразвуковыми. Капиллярные методы основаны на капиллярном проникнове- нии капель индикаторных жидкостей в полости поверхностных дефектов. При контроле этими методами на очищенную поверх- ность детали наносят проникающую жидкость, которая заполняет полости поверхностных дефектов. Затем жидкость удаляют, а оставшуюся в полостях дефектов часть обнаруживают с помощью проявителя, который образует индикаторный рисунок. Капилляр- ные методы используются в полевых, цеховых и лабораторных условиях, в широком диапазоне положительных и отрицательных температур. Они позволяют обнаруживать термические и шли- фовочные трещины, волосовины, закаты и пр. Капиллярные ме- тоды могут быть применены для обнаружения дефектов в деталях из металлов и неметаллов простой и сложной формы. Магнитные методы контроля основаны на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами, или на определении магнитных свойств контролируемых изделий. Эти методы позволяют обнаружить дефекты типа несплош- ности материала (трещины, волосовины, закаты), а также опреде- лить механические характеристики ферромагнитных сталей и чугунов по изменению их магнитных характеристик. Визуально оптические методы контроля основаны на взаимодействии светового излучения с контролируемым объектом (КО). По характеру взаимодействия различают методы прошед- шего, отражённого, рассеянного и индуцированного излучений (под последним имеется в виду оптическое излучение предмета под действием внешнего воздействия, например люминесценцию). Информативными параметрами этих методов являются амплитуда, фаза, степень поляризации, частота или частотный спектр, время прохождения света через объект, геометрия прелом- ления или отражения излучения. Оптические методы широко применяют из-за большого разнообразия способов получения пер- вичной информации о наличии наружных дефектов независимо от материала контролируемого изделия. Радиационные методы контроля основаны на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения. Используется рентгеновское, гамма-излучение, потоки нейтрино и т.д. Проходя через толщу изделия, проникающие излучения по-разному ослаб- ляются в дефектном и бездефектном сечениях и несут информацию о внутреннем строении вещества и наличии дефектов внутри изделия. Эти методы используются для контроля сварных и паяных швов, отливок, проката и т.п. Радиоволновые методы основаны на регистрации пара- метров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействую- щих с КО. Обычно используются волны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона длиной 1-100 мм для контроля изделий из материалов, где радиоволны затухают не очень сильно: диэлект- рики (пластмасса, керамика, стекловолокно), магнитодиэлектрики (ферриты), полупроводники, тонкостенные металлические объекты. Так же, как оптические и акустические, различают методы про- шедшего, отраженного, рассеянного излучения и резонансный метод. Тепловые методы основаны на регистрации изменений тепловых или температурных полей КО. Они применимы к любым 8 9 материалам. Различают пассивный (на объекты не воздействуют внешним источником тепла) и активный (объект нагревают или охлаждают) методы. Измеряемым информативным параметром является температура или тепловой поток. При пассивном методе измеряют температурное поле рабо- тающего объекта. Дефект определяется появлением мест повы- шенной (пониженной) температуры. Таким методом определяют места утечки теплоты в зданиях; трещины в двигателях и т.д. При контроле активным методом объект нагревают контактным или бесконтактным методом и измеряют температуру с той или другой стороны объекта. Это позволяет обнаруживать несплошности (тре- щины, пористость, инородные включения) в объектах, изменения в структуре физико-механических свойствах материала по измене- нию теплопроводности, теплоёмкости, коэффициенту тепло- передачи. Измерение температуры или тепловых потоков выпол- няют контактным или бесконтактным способом. Наиболее эффективное средство бесконтактного наблюдения – сканирую- щий тепловизор. Его используют для определения дефектов пайки многослойных изделий из металлов и неметаллов, клеевых сое- динений и т.п. Методы контроля течеисканием основаны на регистрации индикаторных жидкостей и газов, проникающих в сквозные де- фекты КО. Их применяют для контроля герметичности работаю- щих под давлением сварных сосудов, баллонов, трубопроводов, топливной и гидроаппаратуры, масляных систем силовых установок и т.п. К методам течеискания относят гидравлическую опрессовку, аммиачно-индикаторный метод, контроль с помощью гелиевого и галоидного течеискателей и т.д. Проводят течеискание и с помо- щью радиоактивных веществ, что значительно повышает чувстви- тельность метода. Электрические методы основаны на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с КО (собственно электрический метод), или поля, возникающего в КО в результате внешнего воздействия (термоэлектрический или трибоэлектри- ческий методы). Первичными информативными параметрами является электрическая емкость или потенциал. Ёмкостный метод исполь- зуется для контроля диэлектрических или полупроводниковых материалов. По изменению проводимости, в частности её реактив- ной части, контролируют химический состав пластмасс, полу- проводников, наличие в них несплошностей; влажность сыпучих материалов и другие свойства. Для контроля проводников применяют метод электрического потенциала. Толщину проводящего слоя, наличие несплошностей вблизи поверхностей проводника контролируют, измеряя падение потенциала на некотором участке. Электрический ток огибает поверхностный дефект, по увеличению падения потенциала на участке с дефектом определяют глубину несплошности с погреш- ностью в несколько процентов. Термоэлектрический метод применяют для контроля хими- ческого состава материала. Например, нагретый до постоянной температуры медный электрод прижимают к поверхности изделия и по возникающей разности потенциалов определяют марку стали, титана, алюминия или другого материала. Разновидностью электрического метода является метод электронной эмиссии, то есть измерение эмиссии ионов с поверх- ности изделия под влиянием внутренних напряжений. Этот метод используется для определения растрескиваний в эмалевых покрытиях, для сортировки деталей, измерения толщины пленоч- ных покрытий и определения степени закалки изделия. Электромагнитный метод (вихревых токов) основан на регистрации изменений взаимодействия электромагнитного поля катушки с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых этой катушкой в КО. Его применяют для обнаружения поверхност- ных дефектов в магнитных и немагнитных деталях и полуфабрика- тах. Метод позволяет обнаруживать нарушения сплошности (в основном трещины) на различных по конфигурации деталях. 10 11 1.2. Эффективность НМК Эффективность НМК определяется большим числом факто- ров, главными из которых являются выявляемость дефектов, производительность, оперативность, безопасность и стоимость. Визуальные и капиллярные методы контроля изделий из ферромагнитных материалов позволяют обнаруживать дефекты только на поверхности изделия. Магнитными и токовихревыми методами можно обнаружить как поверхностные, так и подповерх- ностные дефекты. Радиационными и акустическими методами можно обнаружить поверхностные, подповерхностные и внутрен- ние дефекты. В табл. 1.1 приведены примерные оценки различных методов контроля по выявляемости дефектов в изделиях из различ- ных материалов различного назначения [1]. С точки зрения опасности для обслуживающего персонала выделяются радиационные методы. Определённой токсичностью обладают методы капиллярные и течеисканием при использовании определённых типов пробных веществ и ультрафиолетовых осве- тителей. Остальные методы НК не оказывают заметного влияния на здоровье обслуживающего персонала. Т а б л и ц а 1.1 Оценка выявляемости дефектов различными видами НМК Вид НМК Объект контроля Радиа- цион- ный Аку- сти- чес- кий Токо- вих- ревой Маг- нит- ный Ка- пил- ляр- ный Тепло- вой Опти- чес- кий Радио- волно- вой Неферромагнитные материалы Проволока диаметром, мм 0,01-1 0 5 5 0 0 3 4 0 1-14 4 5 5 0 0 0 4 0 Прутки диаметром, мм 3-40 5 5 5 0 0 0 4 0 30-100 5 5 5 0 0 0 4 0 156-1000 5 5 5 0 0 0 4 0 Листы, плиты толщи- ной, мм 0,1-1 4 5 5 0 4 3 4 3 0,1-3,9 5 5 5 0 4 0 4 0 4-10 и более 5 5 5 0 4 0 4 0 Сортовой прокат 5 5 4 0 4 0 4 0 Отливки 5 4 0 0 5 3 4 0 Вид НМК Объект контроля Радиа- цион- ный Аку- сти- чес- кий Токо- вих- ревой Маг- нит- ный Ка- пил- ляр- ный Тепло- вой Опти- чес- кий Радио- волно- вой Ферромагнитные материалы Проволока 4 5 5 5 0 3 4 0 Прутки диаметром, мм 3-4 5 5 5 5 0 0 4 0 30-10 5 5 5 5 0 0 4 0 Трубы сварные диа- метром, мм 30-40 4 5 5 5 4 0 4 0 50-150 3 5 5 5 4 0 4 0 150-1000 4 5 5 5 4 0 4 0 Листы, плиты толщи- ной, мм 0,1-1 3 5 5 5 4 3 4 3 0,1-3,9 3 5 5 5 4 0 4 0 4-10 и более 3 5 4 4 4 0 4 0 Сортовой прокат 3 5 3 3 4 0 4 0 Отливки 3 4 3 3 4 0 4 0 Диэлектрики Резина 5 4 0 0 4 0 4 5 Керамика, металло- керамика 5 4 0 0 4 3 4 5 Бетон, железобетон 3 5 0 0 4 0 4 5 Монокристаллы 3 4 0 0 0 5 4 5 Многослойные материалы 4 5 0 0 0 3 0 5 Стекло 3 4 0 0 0 3 5 3 Стеклопластики 3 4 0 0 5 5 5 5 Соединения Сварные 3 5 3 3 4 3 0 0 Клеевые 3 5 0 0 4 4 4 5 Паяные 3 5 3 0 3 3 0 0 Резьбовые 0 0 3 5 4 0 0 0 Детали к изделиям Многослойные Конструкции из стеклопластиков 3 4 3 0 0 3 0 4 Радиоэлектронные схемы и детали 3 0 0 0 0 5 3 4 Электровакуумные приборы 4 0 0 0 0 3 3 3 О к о н ч а н и е т а б л. 1.1 П р и м е ч а н и е. Оценка НМК: 5 – отличная, 4 – хорошая, 3 – удовлетворительная, 0 – неудовлетворительная. 12 13 Т а б л и ц а 1.2 Возможности и области применения МНК Требования к объекту контроля Достоинства Недостатки Простая форма, мелкозернистая структура, обработка поверхности R Z 10 Простая форма, обработка поверх- ности R Z 10 Очистка поверхности от грязи, отслаивающейся окалины Мелкозернистая структура наплав- ленного металла Выявление дефектов с малым раскрытием, характерных для де- формированного ме- талла Возможность конт- роля больших толщин (до 2-5 м в зависи- мости от структуры металла) Высокая производи- тельность и малая стоимость контроля Возможность автома- тизации (при простой геометрической фор- ме изделия) Необходимость созда- ния акустического кон- такта через жидкую среду и ограничения по чистоте обработки поверх- ности Малая чувствительность при контроле крупно- зернистых материалов, например литых изде- лий и сварных сое- динений из аустенитных сталей Отсутствие наглядности и сложность расшиф- ровки результатов конт- роля, оценка размеров и формы дефектов с боль- шими погрешностями Двусторонний доступ, отсутствие наружных дефектов, превышающих чувствительность контроля Высокая чувствитель- ность контроля Наглядность резуль- татов контроля Наличие документа о результатах контроля Радиационная опасность Большая длительность технологического цикла контроля Расход дорогостоящей радиографической пленки Метод Объекты контроля Типы обнаруживаемых дефектов Минимальные размеры обнаруживаемых дефектов Слитки и фасон- ные отливки Внутренние трещины, раковины, неметалл- лические включения, флокеноподобные де- фекты Эквивалентная площадь дефекта ≥ 5мм 2 Поковки, штамм- повки, сортовой прокат толщиной ≥ 10мм Внутренние трещины, расслоения, флокены, неметаллические вклю- чения, а также (при малых толщинах и для сплошных ци- линдров малого диа- метра) поверхностные заковы, закаты, вклю- чения Эквивалентная площадь дефекта ≥ 3мм 2 (в от- дельных случаях ≥ 0,5мм 2 ) Листовой прокат толщиной ≥ 0,5мм Внутренние расслое- ния и другие дефекты, ориентированные в плоскости прокатки Эквивалентная площадь дефекта ≥ 1мм 2 или условная площадь ≥ 5см 2 Трубы диаметром ≥ 4мм и толщи- ной ≥ 1мм Внутренние поверх- ностные трещины, риски, закаты, вклю- чения Эквивалентная глубина дефекта ≥ 3% от толщины стенки трубы Ак ус ти че ск ий ко нт ро ль Сварные соедине- ния стыковые, тав- ровые, угловые, крестообразные толщиной ≥ 6мм Внутренние трещины, непровары, газовые поры, включения, не- сплавления, утяжки Эквивалентная площадь дефекта ≥ 3мм 2 Сварные и резь- бовые соединения Непровары, трещины, поры, шлаковые вклю- чения, непропаи Локальные дефекты раз- мером ≥ 1,5-2 % от контролируемой толщи- ны Р ад ио гр афи че ск ий ко нт ро ль Литые изделия Трещины, раковины, рыхлоты, пористость Локальные дефекты раз- мером ≥ 2-4 % от конт- ролируемой толщины 14 15 О к о н ч а н и е т а б л. 1.2 С точки зрения автоматизации контроля наиболее благо- приятны методы вихревого тока, магнитные методы с феррозон- довыми, индукционными и подобными типами преобразователей, радиационный и некоторые виды тепловых методов. Главные преимущества этих методов заключаются в отсутст- вии прямого контакта преобразователя с изделием и в предоставле- нии информации о дефектах в виде показаний приборов. Ультразвуковой метод с этой точки зрения требует контакта преобразователя с изделием, например, через слой воды. Трудность автоматизации других методов контроля заключается в необходи- мости визуальной обработки информации о дефектах. По стоимости выполнения контроля к наиболее дорогим относятся методы радиографические и течеискания. Это связано с длительностью операций контроля, а также с необходимостью капитальных затрат на помещения и оборудование. Если сравни- вать, например, затраты на проведение радиационного и ультра- звукового контроля сварных соединений толщиной 10-20 мм, то для ультразвукового контроля они будут в 3-5 раз меньше, чем для радиационного. Это преимущество возрастает с увеличением тол- щины сварных соединений. В табл. 1.2 приведены краткие сведения о возможностях, достоинствах и недостатках основных НМК сплошности металлов. Метод Объекты контроля Типы обнаруживаемых дефектов Минимальные размеры обнаруживаемых дефектов Ма гни тн ый Металлические изделия, полуфаб- рикаты и свар- ные соединения Поверхностные и под- поверхностные (на глу- бине до 2-3мм) тре- щины, волосовины, заковы, закаты, вклю- чения, флокены, не- провары Раскрытие дефекта ≥ 2мм, глубина ≥ 20мкм, протяженность ≥ 0,5мм Т ок ов ихр евой Металлические изделия и полу- фабрикаты То же Ширина дефекта ≥ 0,5мкм, глубина ≥ 100-200мкм, протяженность ≥ 0,5-1 мм К апил - ля рн ый Металлические изделия, полуфаб- рикаты и сварные соединения Поверхностные откры- тые трещины, поры,, коррозионные пораже- ния Раскрытие дефекта ≥ 1мкм, протяженность ≥ 3-5 мм Т ече - иск ания Конструкции и изделия энергети- ческих узлов Сквозные дефекты в сварных соединениях и основном металле Дефекты, дающие натекание > 6,7 10 -11 , м 3 ·Па/с Требования к объекту контроля Достоинства Недостатки Ферромагнитные металлы, чистота обработки поверхности R Z 2,5 Простота и нагляд-ность контроля Возможность приме- нения метода для изделий любой формы Загрязнение поверх-ности Необходимость размаг- ничивания изделий после контроля Возможность образова-ния прижогов на поверхности Чистота обработки поверх- ности R Z 2,5 Бесконтактное возбуж- дение вихревых токов Возможность автома- тизации при больших скоростях контроля с записью результатов Возможность контроля внутренних поверхнос- тей Возможность контроля через неметаллические покрытия Трудность выделения полез- ного сигнала на фоне помех, обусловленных его зависи- мостью от многих парамет- ров контролируемого изде- лия Отсутствие наглядности ре- зультатов контроля Чистота обработки поверх- ности R Z 20 Простота и наглядность контроля Возможность контроля изделий различной формы Необходимость удаления с поверхности защитных пок- рытий, смазок, окалины и других загрязнений Изделия, которые могут быть помещены в вакуумную ка- меру или воду; замкнутые и разомкнутые корпусные конст- рукции Большой арсенал спосо- бов контроля различных классов изделий Необходимость осушки изде- лия нагревом до 150-400 0 С или применения различных индикаторных составов • 16 17 Комплексная система контроля несколькими методами может строиться на основе 100%-го контроля всего объёма продук- ции каждым методом или на основе выборочного контроля тем или иным (или всеми) методом контроля. Иногда дополнительный контроль осуществляется только в тех участках, где основной ме- тод не обеспечивает заданных требований, или назначается для повышения информативности. Приведём несколько примеров применения комплексных систем НМК в судостроении [2]. В особо ответственных случаях для повышения надежности выявления дефектов различных типов проводят контроль сварных соединений методами радиационного просвечивания и акустическим. Контроль отливок, как правило, выполняют методом радиационного просвечивания, а акустичес- кий метод используют для определения местоположения выявлен- ных дефектов. Контроль гребных винтов предусматривает сочета- ние акустических методов с поверхностными методами, такими как капиллярный, магнитный и токовихревой. Контроль поковок, если заготовки не имеют припуска на «мертвую» зону ультразвукового искателя, также использует сочетание акустического и поверхностных методов дефекто- скопии. Для контроля внутренних поверхностей используются токо- вихревые методы и перископический осмотр (визуально-оптичес- кий метод контроля) или перископический осмотр и акустический контроль. |