Виды дефектов и методы контроля

Министерство  образования России

Национальный исследовательский

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Факультет: Институт природных  ресурсов.

Кафедра: Транспорт и  хранение нефти и газа.

 

 

 

 

 

Виды дефектов и методы контроля

 

 

 

 

Выполнил:                                                          

студент группы                                            ________________       

 

 

 

 

Проверил:                                                          

                                                                                ________________       

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2013г.

 

 

План:

1.1  Виды дефектов и  методы контроля.                                                        3

1.2 Метод опрессовки.                                                                                        5

1.3  Метод красок.                                                                                               6

1.4 Магнитный  метод.                                                                                        6

1.5 Люминесцентный  метод.                                                                             6

1.6  Ультразвуковой   метод.                                                                             6

2.1 Классификация акустических методов контроля                                  7

2.2 Способ звуковой  тени.                                                                                  9

2.3 Эхо-импульсный  метод ультразвуковой дефектоскопии.                    9

2.4 Условия получения максимального сигнала от дефекта.                   11

2.5  Виды  помех, появляющихся при эхо-методе.                                        11

2.6 Разрешающая  способность эхо-метода.                                                   12

2.7 Определение образа выявленного дефекта.                                           13

3. Ультразвуковой  эхо-импульсный дефектоскоп                                      14

Список  использованной литературы                                                            17           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1  Виды дефектов и методы контроля.

 

Характерные дефекты  деталей. Структурные параметры  механизма и его агрегатов  зависят от состояния сопряжений, деталей, которое характеризуется  посадкой. Всякое нарушение посадки вызывается: изменением размеров и геометрической формы рабочих поверхностей; нарушением взаимного расположения рабочих поверхностей; механическими повреждениями, химикотепловыми повреждениями; изменением физико-химических свойств материала детали.

Изменение размеров и геометрической формы рабочих поверхностей деталей происходит в результате их изнашивания. Неравномерное изнашивание вызывает возникновение таких дефектов формы рабочих поверхностей, как овалость, конусность, бочкообразность, корсетность. Интенсивность изнашивания зависит от нагрузок на сопряженные детали, скорости перемещения трущихся поверхностей, температурного режима работы деталей, режима смазывания, степени агрессивности окружающей среды.

Нарушение взаимного  расположения рабочих поверхностей проявляется в виде изменения расстояния между осями цилиндрических поверхностей, отклонений от параллельности или перпендикулярности осей и плоскостей, отклонений от соосности цилиндрических поверхностей. Причинами этих нарушений являются неравномерный износ рабочих поверхностей, внутренние напряжения, возникающие в деталях при их изготовлении и ремонте, остаточные деформации деталей вследствие воздействия нагрузок.

Взаимное расположение рабочих поверхностей наиболее часто  нарушается у корпусных деталей. Это вызывает перекосы других деталей агрегата, ускоряющие процесс изнашивания.

Механические повреждения  деталей - трещины, обломы, выкрашивание, риски и деформации (изгибы, скручивание, вмятины) возникают в результате перегрузок, ударов и усталости материала.

Трещины являются характерными для деталей, работающих в условиях циклических знакопеременных нагрузок. Наиболее часто они появляются на поверхности деталей в местах концентрации напряжений (например, у  отверстий, в галтелях).

Обломы, характерные для литых деталей, и выкрашивание на поверхностях стальных цементованных деталей возникают в результате воздействия динамических ударных нагрузок и вследствие усталости металла.

Риски на рабочих поверхностях деталей появляются под действием  абразивных частиц, загрязняющих смазку.

Деформациям подвержены детали из профильного проката и  листового металла, валы и стержни, работающие в условиях динамических нагрузок.

Химико-тепловые повреждения - коробление, коррозия, нагар и накипь появляются при эксплуатации автомобиля в тяжелых условиях.

Коробление поверхностей деталей значительной длины обычно возникает при воздействии высоких  температур.

Коррозия - результат  химического и электрохимического воздействия окружающей окислительной  и химически активной среды. Коррозия проявляется на поверхностях деталей в виде сплошных оксидных пленок или местных повреждений (пятен, раковин).

Нагар является результатом  использования в системе охлаждения двигателя воды.

Накипь является результатом  использования в системе охлаждения двигателя воды.

Изменение физико-механических свойств материалов выражается в  снижении твердости и упругости  деталей. Твердость деталей может  снизится вследствие применения структуры  материала при нагреве в процессе работы до высоких температур. Упругие  свойства пружин и рессор снижаются вследствие усталости материала.

Предельные и допустимые размеры и износы деталей. Различают  размеры рабочего чертежа, допустимые и предельные размеры и износы деталей.

Размерами рабочего чертежа  называются размеры детали, указанные заводом-изготовителем в рабочих чертежах.

Допустимыми называются размеры и износы детали, при которых  она может быть использована повторно без ремонта и будет безотказно работать до очередного планового ремонта  автомобиля (агрегата).

Предельными называются размеры и износы детали, при которых ее дальнейшее использование технически недопустимо или экономически нецелесообразно.

Изнашивание детали в  различные периоды ее работы происходит не равномерно, а по определенным кривым.

Первый участок продолжительностью t₁ характеризует изнашивание детали в период приработки. В этот период шероховатость поверхностей детали, полученная при ее обработке, уменьшается, а интенсивность изнашивания снижается.

Второй участок продолжительностью t₂ соответствует периоду нормальной работы сопряжения, когда изнашивание происходит сравнительно медленно и равномерно.

Третий участок характеризует  период резкого повышения интенсивности  изнашивания поверхностей, когда  мероприятия технического обслуживания препятствовать этому уже не могут. За время Т, прошедшее с начала эксплуатации, сопряжение достигает предельного состояния и требует ремонта. Зазор в сопряжении, соответствующий началу третьего участка кривой изнашивания, определяет значения предельных износов деталей.

Последовательность контроля деталей при дефектации. В первую очередь выполняют визуальный контроль деталей с целью обнаружения повреждений, видимых невооруженным глазом: крупных трещин, обломов, рисок, выкрашивания, коррозии, нагара и накипи. Затем детали проверяют на приспособлениях для обнаружения нарушений взаимного расположения рабочих поверхностей и физико-механических свойств материала, а также на отсутствие скрытых дефектов (невидимых трещин). В заключение контролируют размеры и геометрическую форму рабочих поверхностей деталей.

Контроль взаимного  расположения рабочих поверхностей. Отклонение от соосности (смещение осей) отверстий проверяют с помощью  оптических, пневматических и индикаторных приспособлений. Наибольшее применение при ремонте автомобилей нашли  индикаторные приспособления. При проверке отклонения от соосности вращают оправку, а индикатор указывает значение радиального биения. Отклонение от соосности равно половине радиального биения.

Несоосность шеек валов  контролируют замером их радиального  биения с помощью индикаторов с установкой в центрах. Радиальное биение шеек определяется как разность наибольшего и наименьшего показаний индикатора за один оборот вала.

Отклонение от параллельности осей отверстий определяют разность |а₁ – a₂| расстояний а₁ и а₂ между внутренними образующими контрольных оправок на длине L с помощью штихмасса или индикаторного нутромера.

Отклонение от перпендикулярности осей отверстий проверяют с помощью  оправки с индикатором или  калибра, измеряя зазоры Д₁ и Д₂  на длине L. В первом случае отклонение осей от перпендикулярности определяют как разность показаний индикатора в двух противоположных положениях, во втором - как разность зазоров |Д₁- Д₂|.

Отклонение от параллельности оси отверстия относительно плоскости  проверяют на плите путем изменения индикатором отклонения размеров h₁ и h₂ на длине L. Разность этих отклонений соответствует отклонению от параллельности оси отверстия и плоскости.

Отклонение от перпендикулярности оси отверстия к плоскости  определяют на диаметре D как разность показаний индикатора при вращении на оправке относительно оси отверстия  или путем измерения зазоров в двух диаметрально противоположных точках по периферии калибра. Отклонение от перпендикулярности в этом случае равно разности результатов измерений |Д₁-Д₂| на диаметре D.

Контроль скрытых дефектов особенно необходим для ответственных  деталей, от которых зависит безопасность работы. Для контроля применяют методы опрессовки, красок, магнитный, люминесцентный и ультразвуковой.

 

                                 1.2 Метод опрессовки.

 

Метод опрессовки применяют  для выявления трещин в корпусных  деталях (гидравлическое испытание) и  проверки герметичности трубопроводов, топливных баков, шин (пневматическое испытание). Корпусную деталь устанавливаю для испытания на стенд, герметизируют крышками и заглушками наружные отверстия, после чего во внутренние полости детали насосом нагнетают воду до давления 0,3... 0,4 МПа. Подтекание воды показывает местонахождение трещины. При пневматическом испытании внутрь детали подают воздух давлением 0,05... 0,1 МПа и погружают ее в ванну с водой. Пузырьки выходящего воздуха указывают местонахождение трещины.

 

                                  1.3 Метод красок.

 

Методом красок пользуются для обнаружения трещин шириной  не менее 20...30 мкм. Поверхность контролируемой детали обезжиривают и наносят на нее красную краску, разведенную керосином. Смыв красную краску растворителем, покрывают поверхность детали белой краской. Через несколько минут на белом фоне проявится красная краска, проникшая в трещину.

 

                       1.4 Магнитный метод.

 

Магнитный метод применяют  для контроля скрытых трещин в  деталях из ферромагнитных материалов (стали, чугуна). Если деталь намагнитить  и посыпать сухим ферромагнитным порошком или полить суспензией, то их частицы притягиваются к краям трещин, как к полюсам магнита. Ширина слоя порошка может в 100 раз превысить ширину трещины, что позволяет выявить ее.

Намагничивают детали на магнитных дефектоскопах. После  контроля детали размагничивают, пропуская через соленоид, питаемый переменным током.

 

                               1.5 Люминесцентный метод.

  

Люминесцентный метод  применяют для обнаружения трещин шириной более 10 мкм в деталях, изготовленных из немагнитных материалов. Контролируемую деталь погружают на 10... 15 мин в ванн с флюоресцирующей жидкостью, способной светиться при воздействии на нее ультрафиолетового излучения. Затем деталь протирают и наносят на контролируемые поверхности тонкий слой порошка углекислого магния, талька или силикагеля. Порошок вытягивает флюоресцирующую жидкость из трещины на поверхность детали.

После этого, пользуясь  люминесцентным дефектоскопом, деталь подвергают воздействию ультрафиолетового  излучения. Порошок, пропитанный флюоресцирующей  жидкостью, выявляет трещины детали в виде светящихся линий и пятен.

 

                            1.6 Ультразвуковой   метод.

 

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности  по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

Ультразвуковой   метод, отличающийся очень высокой чувствительностью, применяют для обнаружения в  деталях внутренних трещин. Различают два способа ультразвуковой дефектоскопии - звуковой тени и импульсный.

                2.1 Классификация акустических методов контроля

Согласно ГОСТ 23829-79 акустические метода делят на две большие группы: использующие излучение и приём  акустических волн (активные методы) и основанные только на приёме (пассивные методы). В каждой из групп можно выделить методы, основанные на возникновении в объекте контроля бегущих и стоячих волн или колебаний.

Активные акустические методы, в которых применяют бегущие волны, делят на две подгруппы, использующие прохождение и отражение волн. Применяют как непрерывное, так и импульсное излучение.

К методам прохождения  относятся следующие:

1. Теневой метод, основанный на уменьшении амплитуды прошедшей волны под влиянием дефекта. (рисунок 2 а)
2. Временной теневой метод, основанный на запаздывании импульса, вызванном огибанием дефекта.
3. Зеркально-теневой метод, основанный на ослаблении сигнала, отраженного от противоположной поверхности изделия (донного сигнала).
4. Велосиметрический метод, основанный на изменении скорости упругих волн при наличии дефекта.

В методах отражения  применяют, как правило, импульсное излучение. К этой подгруппе относятся  следующие методы дефектоскопии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Классификация  ультразвуковых методов контроля.

 

 

 

1. Эхо-метод. Регистрирует эхо-сигналы от дефектов.
2. Зеркальный эхо-метод основан на зеркальном отражении импульсов от дефектов, ориентированных вертикально к поверхности, с которой ведётся контроль.
3. Реверберационный метод предназначен для контроля слоистых конструкций типа металл-пластик. Он основан на анализе длительности реверберации ультразвуковых импульсов в одном из слоёв.

От рассмотриенных акустических методов неразрушающего контроля существенно  отличается иимпедансный метод, основанный на анализе изменения механического импеданса участка поверхности контролируемого объекта, с которым взаимодействует преобразователь. На использование стоячих волн основаны следующие методы:

1. Локальный метод свободных колебаний. Он основан на анализе спектра возбуждённых в части контролируемого объекта с помощью ударов молоточка-вибратора.
2. Интегральный метод свободных колебаний. Механическим ударом возбуждаются вибрации во всём изделии или в значительной его части.
3. Локальный резонансный метод. Применяется в тольщиномерии.
4. Интегральный резонансный метод. Применяют для определения модулей упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний изделий простой геометрической формы.

К методам вынужденных  колебаний относят акустико-топографический, акустико-эмиссионный метод.

 

2.2 Способ звуковой тени.

Для способа звуковой тени характерно расположение генератора с излучателем ультразвуковых колебаний  с одной стороны детали, а приемника - с другой. Если при перемещении дефектоскопа вдоль детали дефекта не оказывается, ультразвуковые волны достигают приемника, преобразуются в электрические импульсы и через усилитель попадают на индикатор, стрелка которого отклоняется. Если же на пути звуковых волн встречается дефект, то они отражаются. За дефектным участком детали образуется звуковая тень, и стрелка индикатора не отклоняется. Этот способ применим для контроля деталей небольшой толщины при возможности двустороннего доступа к ним.

Импульсный способ не имеет ограничений области применения и более распространен. Он состоит в том, что посланные излучателем импульсы, достигнув противоположной стороны детали, отражаются от нее и возвращаются к приемнику, в котором возникает слабый электрический ток. Сигналы проходят через усилитель и подаются в электронно-лучевую трубку. При пуске генератора импульсов одновременно с помощью блока развертки включается горизонтальная развертка электронно-лучевой трубки, представляющая собой ось времени.

Моменты срабатывания генератора сопровождаются начальными импульсами А. При наличии дефекта на экране появится импульс В. Характер и величину всплесков на экране расшифровывают по эталонным схемам импульсов. Расстояние, между импульсами А и В соответствует глубине залегания дефекта, а расстояние, между импульсами А и С - толщине детали.

2.3 Эхо-импульсный метод ультразвуковой дефектоскопии.

Как видно, существует огромное количество методов ультразвуковой дефектоскопии, но один из наиболее распространённых методов является эхо-импульстный  метод ультразвукового неразрушающего контроля. Это объясняется тем, что этот метод – в отличии от других – применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту, и при этом позволяет определить размеры дефекта, его координаты, характер.

В эхо-импульсном методе ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) используются те же принципы, что и в радио - и акустической локации.

Современный эхо-метод  УЗД основан на излучении в  контролируемое изделие коротких импульсов  упругих колебаний (длительностью 0,5 – 10 мксек) и регистрации интенсивности (амплитуды) и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов отражателей.

Импульсный эхо-метод  позволяет решать следующие задачи дефектоскопии:

1. Обнаружение и определение координат дефектов, представляющих собой нарушения сплошности и расположенных как на поверхности, так и внутри металлических и неметаллических изделиях и в сварных соединениях.
2. Определение размеров дефектов и изделий.
3. Обнаружение зон крупнозернистости в металлических изделиях и заготовках.

Аппаратура, реализующая  данный метод, позволяет определить характер дефектов, идентифицировать их по размерам, формам, ориентации.

 

К основным характеристикам  метода относятся: чувствительность, максимальная глубина прозвучивания, минимальная  глубина ("мертвая" зона), разрешающая  способность, точность измерения расстояния, производительность контроля.

Под чувствительностью понимают минимальный размер дефекта, находящийся на максимальной глубине и четко регистрируемый прибором. Количественно ее определяют порогом чувствительности. Для эхо-метода – это минимальная площадь искусственного дефекта типа плоскодонного отверстия, который обнаруживается при контроле. Ее можно определить по отражателям другого типа, выполняя пересчет на площадь плоскодонного отверстия по формулам акустического тракта. Порог чувствительности ограничивается двумя главными факторами: чувствительностью аппаратуры и уровнем помех. В зависимости от структуры материала будет и изменяться порог чувствительности.

Максимальная  глубина прозвучивания определяется максимальным расстоянием от дефекта (отражателя) заданного размера, на котором он уверенно выявляется. Она ограничивается условием, чтобы сигнал от дефекта был больше минимального сигнала, регистрируемого прибором и уровня помех. Она также определяется параметрами аппаратуры. В технических характеристиках прибора в качестве максимальной глубины прозвучивания указывают максимальную длительность развертки дефектоскопа. Достижение максимальной глубины прозвучивания ограничивается теми же факторами, которые препятствуют повышению чувствительности.

Минимальная глубина  или "мертвая" зона - минимальное расстояние от преобразователя или от поверхности изделия до дефекта, на котором он четко выявляется не сливаясь с зондирующим импульсом или импульсом от поверхности ввода ультразвука.

Разрешающая способность - минимальное расстояние между двумя одинаковыми дефектами, при котором они регистрируются раздельно. Различают лучевую и фронтальную разрешающую способности метода.

Лучевая разрешающая  способность - минимальное расстояние в лучевом направлении, при котором сигналы от дефектов видны на экране как два раздельных импульса.

Фронтальная разрешающая способность по перемещению - минимальное расстояние между дефектами в направлении перпендикулярном лучевому.

Точность измерения расстояния до дефекта определяется погрешностью в % от измеряемой величины.

Производительность  контроля определяется шагом и скоростью сканирования (перемещения) преобразователя. При оценке времени контроля учитывается и время на исследование дефекта.

2.4 Условия получения максимального сигнала от дефекта.

Для оптимального выполнения первого условия выявления дефекта  величина  должна иметь максимальное значение. Где V_д – сигнал от дефекта, а V₀ – сигнал посылаемый преобразователем.

Также, зачастую от правильного  выбора частоты ультразвуковых колебаний зависит мощность по,лучения сигнала от дефекта, и как следствие, точность определения дефекта. Можно сказать, что частота является одним из главных параметров, от выбора которых зависит выявление. Остановимся подробно на её выборе. Как известно, частота зависит от коэффициента затухания. Для большинства материалов в диапазоне частот, применяемых в дефектоскопии, эта зависимость приближенно выражается формулой:

(2.3.1)

где и - коэффициенты, не зависящие от частоты.

Первый член связан с  поглощением, второй – с рассеянием ультразвука мелкими зернами (кристаллитами) металла.

При малых расстояниях  от преобразователя до дефекта влияние  затухания ультразвука невелико, поэтому в ближней зоне целесообразно применение высоких частот. В дальней зоне затухание имеет очень большое значение для рационального выбора частоты.

Оптимальная частота  ультразвуковых колебаний определяется формулой

	(2.3.2)
где С1 – коэффициент, связанный с поглощением ультразвука r – расстояние от преобразователя ультразвуковых волн до дефекта

для мелкозернистых материалов. А для крупнозернистых оптимальная  частота находится по формуле:

	(2.3.3)
где С2 в зависимости от соотношения λ и равна или (где - средний диаметр кристаллита) r – расстояние от преобразователя ультразвуковых волн до дефекта

Таким образом, в обоих  случаях с увеличением толщины  изделия следует понижать частоту.

2.5 Виды помех, появляющихся при эхо-методе.

При ультразвуковой дефектоскопии  материалов и изделий, как и при  других видов дефектоскопии наблюдается помехи. Их делят на несколько видов:

- помехи усилителя дефектоскопа. Эти помехи препятствуют беспредельному увеличению коэффициента усиления приемного тракта дефектоскопа и определяют граничное значение регистрируемого прибором сигнала ;

- шумы преобразователя, возникающие при его работе по совмещенной схеме. Непосредственно после излучения зондирующего импульса чувствительность усилителя резко ослабляется в связи с сильным динамическим воздействием на него мощного сигнала генератора. Вследствие этого в указанной зоне резко возрастает граничное значение регистрируемого прибором сигнала . наличие многократных отражений в протекторе, призме преобразователя, контактной жидкости создает помехи, затягивающие действие зондирующего импульса. Эти помехи быстро исчезают;

- ложные сигналы, возникающие в результате отражения от выступов или выточек и других неровностей поверхности. Эти помехи мешают выявлению дефектов на отдельных участках объекта контроля;

- помехи, связанные с рассеянием ультразвука на структурных неоднородностях, зернах материала, т.е. структурной реверберацией. Сигналы от неоднородностей в зависимости от фазы ослабляют или усиливают друг друга. Они носят статистический характер.

 Если дефект находиться в дальней зоне, то для улучшения выявляемости дефекта в дальней зоне целесообразно увеличивать размеры преобразователя. При увеличении диаметра преобразователя улучшается направленность излучения, однако граница ближней зоны удаляется от преобразователя и при дефект попадает в ближнюю зону. В ближней зоне увеличение диаметра преобразователя оказывает отрицательное влияние на отношение сигнал-шум, приводит к ухудшению направленности преобразователя.

Одним из путей устранения указанных явлений является применение фокусирующих преобразователей.

2.6 Разрешающая способность эхо-метода.

Как уже говорилось ранее (в параграфе 2.1), разрешающая способность  эхо-метода – минимальное расстояние между двумя одинаковыми дефектами, при котором эти дефекты фиксируются раздельно. Различают лучевую и фронтальную разрешающую способности. Первую определяют минимальным расстоянием Δr между двумя раздельно выявленными дефектами, расположенными в направлении хода лучей вдоль акустической оси преобразователя. Фронтальную разрешающую способность определяют минимальным расстоянием Δl между одинаковыми по величине точечными раздельно выявляемыми дефектами, залегающими на одной глубине.