Дефектоскопия

Содержание

Введение                                                                                                               3

Визуально-измерительный  метод (ВИК)                                                                           4

Акустические (ультразвуковые методы)                                                                        6

Радиационный (рентгеновский) метод)                                                                           17

Капиллярный метод                                                                                                 19

Магнитная дефектоскопия                                                                                        26

Заключение                                                                                                           32

Литература                                                                                                          33 

    Введение.

    Дефектоскопия (от лат. defectus — недостаток и ...скопия), комплекс методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий с целью обнаружения дефектов.  

    Дефектоскопия включает: разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы и др.); составление методик контроля; обработку показаний дефектоскопов.

    Вследствие  несовершенства технологии изготовления или в результате эксплуатации в  тяжёлых условиях в изделиях появляются различные дефекты — нарушения сплошности или однородности материала, отклонения от заданногохимического состава или структуры, а также от заданных размеров. Дефекты изменяют физические свойства материала (плотность, электропроводность, магнитные, упругие свойства и др.).

    В основе существующих методов дефектоскопии лежит исследование физических свойств материалов при воздействии на них рентгеновских, инфракрасных, ультрафиолетовых и гамма-лучей, радиоволн, ультразвуковых колебаний, магнитного и электростатического полей и др.  
1. Визуально-измерительный метод (ВИК)

    Дефектоскопию начинают с визуально-измерительного метода, так как этот метод наименее трудоемкий.

    ВИК проводят с использованием оптических систем с формированием пучков световых лучей, отражённых от поверхности изделия. При ВИКе используются: микроскопы, эндоскопы, линзы, радиусные шаблоны, измерительные щупы, угломеры и т.п. 

    В ситуациях, когда температура или химическая среда представляют опасность, или, когда конфигурация ОК (объекта контроля) не позволяет контролировать, используют промышленные телевизионные системы, включающие телевизионную установку, световой прибор и систему транспортировки. Такие системы называют комплексами дистанционного визуального контроля. В таких системах протекают следующие физические процессы: световое излучение, регулируемое световым прибором и отражённое от поверхности ОК, воздействует на первичный преобразователь и преобразуется в первичные сигналы, передающиеся по каналу связи. Во вторичном преобразователе электросигналы преобразуются в световые изображения, воспринимаемые глазом человека.                                        

    Измерительный контроль - вторая часть ВИК. Измерением называют нахождение, значение физической величины опытным путём с помощью  средств измерения. На выбор измерительных  средств оказывают влияние метрологические  показатели: цена деления шкалы, диапазон измерений, предел допустимой погрешности  средств измерений, допустимая погрешность  средств измерений, пределы измерений  и нормативне условия. Погрешностью измерения называют отклонение результата измерения от истинного значения.

     По сравнению с другими методами неразрушающего контроля визуальный контроль легко применим и относительно недорог. Доказано, что этот метод контроля является надежным источником точной информации о соответствии сварных изделий техническим условиям.

    Этот  вид контроля отличается от других видов неразрушающего контроля границами  спектральной      области электромагнитного излучения, используемого для получения информации об объекте. Видимое излучение (свет) - излучение, которое может непосредственно вызывать зрительное ощущение. И действительно, визуальный контроль - это единственный НМК (неразрушающий метод контроля), который может выполняться и часто выполняется без какого-либо оборудования и проводится с использованием простейших измерительных средств.

    Ввиду того, что некоторые технические  средства визуального и измерительного контроля доступны каждому, а сама процедура  контроля кажется достаточно простой, предполагают, что любое обсуждение этого метода может быть простым и быстрым. Фактически же, визуальный и измерительный контроль является таким же современным сложным видом контроля, как радиационный и ультразвуковой.

    Для эффективного выявления дефектов специалисты  по любому виду НК должны уметь выбрать  подход, разработать методику проведения испытания и создать необходимые  приспособления. Кроме того, эти  специалисты должны соответствующим образом подготовить технический персонал для проведения требуемого испытания и обработки его результатов.

    В процессе изготовления и монтажа сварных  конструкций осуществляют систематический  контроль качества производства сварочных  работ – предварительный контроль и контроль готовых сварных соединений. 

    2. Акустические (ультразвуковые методы) 

    Главным недостатком визуального метода является невозможность обнаружения внутренних дефектов, поэтому целесообразно его использование с другим методом.

    Наибольшее  применение для обнаружения внутренних дефектов получили методы радиационного  и акустического контроля.

    Для акустического метода НК применяют  колебания ультразвукового и  звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний  обычно невелика, не превышает 1 кВт/м2. Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

    Кроме упругости по объёму, в твёрдом  теле существует упругость по форме, поэтому в теле могут распространяться волны двух типов: продольные и поперечные. Акустические волны в твёрдых  телах характеризуются либо смещение, либо колебательными скоростями, либо тензорами деформации или напряжения.

    Для контроля применяют разные типы (моды) волн, отличающиеся направлением колебаний  частиц, скоростью распространения  и другими признаками.

    В объёме твёрдого тела, как уже было сказано  выше, могут распространяться продольные и поперечные волны. В продольной волне колебательные скорости частиц среды совпадают с направлением распространения волны, в поперечной - перпендикулярны ему. 
Известно много акустических методов неразрушающего контроля (рис.1), некоторые применяются в нескольких вариантах. Их делят на две большие группы - активные и пассивные методы.

    Активные  методы основаны на излучении и приёме упругих волн, пассивные - только на приёме волн, источником которых служит сам контролируемый объект.

    Активные  методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот.

    Методы  прохождения (рис.2) используют излучающие и приёмные преобразователи, расположенные по разные или по одну сторону контролируемого изделия. Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект. К методам прохождения относят:

• амплитудный теневой метод;
• временной теневой метод
• .велосиметрический метод.

    В методах отражения (рис.3) используют как один, так и два преобразователя; применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии: 

• эхо-метод; 
  
• эхо-зеркальный метод; 
  
• дельта-метод; 
  
• дифракционно-временной метод; 
  
• ревербирационный метод.

     
       В комбинированных методах (рис.4) используют принципы, как прохождения, так и отражения

• акустических волн: 
  
• зеркально-теневой метод; 
  
• эхо-теневой метод; 
  
• эхо-сквозной метод. 

    Методы  собственных частот (рис.5) основаны на измерении этих частот (или спектров) колебаний контролируемых объектов. Собственные частоты измеряют при возбуждении в изделиях как вынужденных, так и свободных колебаний. Свободные колебания обычно возбуждают механическим ударом, вынужденные - воздействием гармонической силы меняющейся частоты.

    Импедансные методы(рис.6,а) используют зависимость импедансов изделий при их упругих колебаниях от параметров этих изделий и наличия в них дефектов.

    Пассивные акустические методы основаны на анализе упругих колебаний волн, возникающих в самом контролируемом объекте. Наиболее характерным пассивным методом является акустико-эмиссионный метод (рис.6,б). Явление акустической эмиссии состоит в том, что упругие волны излучаются самим материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин под влиянием внешней нагрузки, аллотропические превращения при нагреве или охлаждении, движение скоплений дислокаций, - наиболее характерные источники акустической эмисии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи принимают упругие волны и позволяют установить место их источника (дефекта). 

    Пассивными  акустическими методами являются вибрационно-диагностический и шумодиагностический. При первом анализируют параметры вибраций какой-либо отдельной детали или узла (ротора, подшипников, лопатки турбины) с помощью приёмников контактного типа, при втором - изучают спектр шумов работающего механизма, обычно с помощью микрофонных приёмников.

    По  частотному признаку акустические методы делят на низкочастотные и высокочастотные. К первым относят колебания в звуковом и низкочастотном (до нескольких десятков кГц), ультразвуковом диапазоне частот. Ко вторым - колебания в высокочастотном ультразвуковом диапазоне частот: обычно от нескольких сот кГц до 20 МГц. Высокочастотные методы обычно называют ультразвуковыми.

    Области применения методов:

    Из  рассмотренных акустических методов  контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод. Около 90% объектов, контролируемых акустическими методами, проверяют эхо - методом. Применяя различные типы волн, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих металлических материалов. Эхо-метод используют также для измерения размеров изделий. Измеряют время прихода донного сигнала и, зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия неизвестна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по ним определяют физико-механические свойства материалов.

    Зеркально-теневой метод используют вместо или в дополнение к эхо-методу для выявления дефектов, дающих слабое отражение ультразвуковых волн в направлении раздельно-совмещенного преобразователя. Дефекты (например, вертикальные трещины), ориентированные перпендикулярно поверхности, по которой перемещают преобразователь(поверхности ввода), дают очень слабый рассеянный сигнал и донный сигнал благодаря тому, что на их поверхности продольная волна трансформируется в головную, которая в свою очередь излучает боковые волны, уносящие энергию. Пример применения зеркально-теневого метода — контроль рельсов на вертикальные трещины в шейке. По чувствительности этот метод и обычно в 10—100 раз хуже эхо-метода.

    Эхо -зеркальный метод также применяют для выявления дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхности ввода. При этом он обеспечивает более высокую чувствительность к таким дефектам, но требует, чтобы в зоне расположения дефектов был достаточно большой участок ровной поверхности (рис. 3,б). В рельсах, например, это требование не выполняется, поэтому там возможно применение только зеркально-теневого метода. Дефект может быть выявлен совмещенным наклонным преобразователем, расположенным в точке А . Однако, в этом случае зеркально-отраженная волна уходит в сторону и на преобразователь попадает лишь слабый рассеянный сигнал. Преобразователи, расположенные в точках С или D, обнаруживают дефект с высокой чувствительностью.

    Эхо - зеркальный метод в варианте "тандем" используют для выявления вертикальных трещин и непроваров при контроле сварных соединений. Дефекты некоторых видов сварки, например, непровар при электронно-лучевой сварке, имеют гладкую отражающую поверхность, очень слабо рассеивающую ультразвуковые волны, но такие дефекты хорошо выявляются эхо - зеркальным методом. Дефекты округлой формы (шлаковые включения, поры) дают большой рассеянный сигнал и хорошо регистрируются совмещенным преобразователем в точке А, в тоже время зеркальное отражение от них слабое. В результате сравнения отраженных сигналов в точках А и D определяют форму дефекта сварного соединения.

    Вариант "косой тандем" применяют, когда  расположение преобразователей в одной  плоскости затруднительно. Его используют, например, для выявления поперечных трещин в сварных швах. Преобразователи в этом случае располагают по разные стороны валика усиления шва. Углы сигма 1 и сигма 2 выбирают либо малыми (не более 10°), либо большими (св. 35°) для предотвращения трансформации поперечных волн в продольные. При угле меньше 10° трансформация мала. Угол 35° и больше превосходит третье критическое значение и трансформация отсутствует. Существуют варианты с сигма 1 не равна сигме 2. Например, излучают поперечную волну с сигма 1 = 20°, а принимают трансформированную продольную волну.

    Дельта  и дифракционно - временной методы также используют для получения дополнительной информации о дефектах при контроле сварньх соединений. В варианте, показанном на рис. 3,в, излучают поперечные, а принимают продольные волны. Эффективная трансформация волн на дефекте произойдет, если угол падения на плоский дефект меньше третьего критического, либо если продольная волна возникает в результате рассеяния на дефекте. Для создания хорошего контакта приемного прямого преобразователя с поверхностью сварного соединения валик усиления зачищают. С помощью этого метода довольно точно определяют положение дефекта вдоль сварного шва, что важно для его автоматической регистрации.

    Эхо - теневой метод применяют также при контроле сварных соединений. Например, при автоматическом контроле сварных соединений искатели располагают по обе стороны от шва и принимают как отраженные, так и прошедшие сигналы. Последние используют для контроля качества акустического контакта и обнаружения дефектов, ориентированных таким образом, что эхо - сигналы от них очень слабы.

    Теневой и эхо - сквозной методы используют только при двустороннем доступе к изделию, для автоматического контроля изделий простой формы, например, листов в иммерсионной ванне. Перемещение листа вверх и вниз между преобразователями в иммерсионной ванне не изменяет времени прохождения сигналов от излучателя к приемнику, что существенно упрощает конструкцию установки. Чувствительность теневого метода к дефектам в 10—100 раз меньше, чем эхо-метода в связи с большим влиянием помех. Применение эхо - сквозного метода в значительной мере устраняет этот недостаток.

    Теневой метод применяют также для контроля изделий с большим уровнем структурной реверберации, т.е. шумов, связанных с отражением ультразвука от неоднородностей, крупных зерен, дефектоскопии многослойных конструкций и изделий из слоистых пластиков. Сквозной сигнал попадает на приемник раньше, чем структурные реверберации, что позволяет его зарегистрировать на фоне шумов. При контроле тонких изделий с очень высоким уровнем структурных шумов более высокую чувствительность обеспечивает временной теневой метод.

    Теневой и временной методы позволяют обнаруживать крупные дефекты в материалах, где контроль другими акустическими методами затруднен или невозможен: крупнозернистой аустенитной стали, сером чугуне, бетоне, огнеупорном кирпиче.

    Теневой метод применяют вместо эхо-метода при исследовании физико-механических свойств материалов с большим затуханием и рассеянием акустических волн, например, при контроле прочности бетона по скорости ультразвука. Для этой цели применяют не только теневой метод, но (в более общем виде) метод прохождения. Например, излучатель и приемник располагают с одной стороны изделия, на одной поверхности и измеряют время и амплитуду сквозного сигнала головной волны.

    Локальный метод вынужденных колебаний применяют для измерения малых трещин при одностороннем доступе. Контактный резонансный толщиномер, в б0-х годах был основным средством толщинометрии. В настоящее время для ручного контроля применяют импульсные толщиномеры. Для автоматического измерения толщины стенок тонких труб лучший результат дает иммерсионный резонансный толщиномер.

    Интегральный  метод вынужденных колебаний (рис.5,а) применяют для определения модулей упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний образцов простой формы, вырезанных из материала изделия, т.е. при разрушающих испытаниях. В последнее время этот метод используют также для неразрушающего контроля небольших изделий: абразивных кругов, турбинных лопаток. Появление дефектов или изменение свойств материалов определяют по изменению спектра резонансных частот. Свойства, связанные с затуханием ультразвука (изменение структуры, появление мелких трещин), определяют по изменению добротности колебательной системы.

    Реверберационный, импедансный, велосимметрический, акустико-топографический методы и локальный метод свободных колебаний используют в основном для контроля многослойных конструкций. Реверберационным методом обнаруживают, в основном, нарушения соединений металлических слоев (обшивок) с металлическими или неметаллическими силовыми элементами или наполнителями. Импедансным методом выявляют дефекты соединений в многослойных конструкциях из композиционных полимерных материалов и металлов, применяемых в различных сочетаниях.

    Велосимметрическим методом и локальным методом свободных колебаний контролируют, в основном, изделия из полимерных композиционных материалов. Акустико-топографический метод применяют для обнаружения дефектов преимущественно в металлических многослойных конструкциях (сотовые панели, биметаллы и т.п.).

    Вибрационно-диагностический и шумо-диагностический методы служат для диагностики работающих механизмов. Метод акустической эмиссии применяют в качестве средства исследования материалов, конструкций, контроля изделий (например, при гидроиспытаниях) и диагностики во время эксплуатации. Его важными преимуществами перед другими методами контроля является то, что он реагирует только на развивающиеся, действительно опасные дефекты, а также возможность проверки больших участков или даже всего изделия без сканирования его преобразователем. Основной его недостаток как средства контроля — трудность выделения сигналов от развивающихся дефектов на фоне помех (кавитационных пузырьков в жидкости, подаваемой в объект при гидроиспытаниях, трения в разъемных соединениях и т.д.

3. Радиационный (рентгеновский)  метод

    Рентгеновский контроль можно справедливо отнести к быстроразвивающимся методам контроля, адресованному к ограниченному доступу.

    Наиболее  частая сфера применения рентгеновского контроля - это электронная промышленность. Особо нужно отметить, что покрытие дефектов рентгеновским контролем  успешно дополняет и лишь частично дублирует стандартные методы внутрисхемного контроля. 

    Еще не так давно системы рентгеновского контроля использовались лишь в лабораториях, однако интенсивное развитие промышленности и новых технологий позволило  использовать их и на производственных линиях. Именно благодаря применению систем рентгеновского контроля стало  возможным исследование невидимых  соединений в ПУ.

    Основные  возможности рентгеновского контроля:   

    - Возможность  обнаружить такие дефекты, которые  невозможно выявить любым другим  тестом - например,  непропаев, раковин и других;

    - Вне  зависимости от доступа, покрытие  технологических дефектов составляет не менее 97%;

    - Системы  автоматического рентгеновского  контроля могут использоваться  на различных производственных линиях;

    - Возможность  точной локализации обнаруженных  дефектов, что дает возможность  быстрого ремонта.

    Проведение  дефектоскопии с применением  рентгеновского просвечивания металла  наиболее достоверный способ контроля сварных соединений и основного  металла при контроле трубопроводов, оборудования, проведении ЭПБ

    Рентгеновский контроль основан на поглощении рентгеновских  лучей, которое зависит от плотности  среды и атомного номера элементов, образующих материал среды. Наличие  таких дефектов, как трещины, раковины или включения инородного материала, приводит к тому, что проходящие через материал лучи ослабляются  в различной степени. Регистрируя  распределение интенсивности проходящих лучей, можно определить наличие  и расположение различных неоднородностей  материала. Рентгеновский контроль применяют для определения раковин, грубых трещин, ликвационных включений в литых и сварных стальных изделиях толщиной до 80 мм и в изделиях из лёгких сплавов толщиной до 250 мм. Для этого используют промышленные рентгеновские установки с энергией излучения от 5-10 до 200-400 кэв (1 эв = 1,60210 Ї 10-19 дж). Изделия большой толщины (до 500 мм) просвечивают сверх жёстким электромагнитным излучением с энергией в десятки Мэв, получаемым в бетатроне.

    Преимущества  рентгеновского контроля - обнаружение и точная локализация дефектов, высокое покрытие технологических дефектов, а также отсутствие контактного приспособления являются основными преимуществами рентгеновского контроля.