2311

Контроль качества материалов и сварных соединений

Книга

Производство и промышленные технологии

Металлографический анализ. Классификация видов технического контроля. Энергия излучения. Виды дефектов, встречающихся в основном металле и сварных швах. Магнитные и электромагнитные методы контроля.

Русский

2013-01-06

991.29 KB

187 чел.

Г. А. Федоренко, И. В. Иванова

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ

И СВАРНЫх СОЕДИНЕНИЙ

Учебно-методическое пособие


ВВЕДЕНИЕ

Жизнь современного человека немыслима без использования промышленных изделий. В быту, на работе при перемещении и защите человек использует изделия разной степени сложности, габаритов и предназначения. Однако, главное требование, которое предъявляется ко всем изделиям, является надежность, т. к. выход из строя промышленного изделия может повлечь за собой не только моральные и экономические потери, но и физическое уничтожение человека.

Главным гарантом надежности того или другого промышленного изделия является качество его изготовления. Под качеством в широком смысле этого слова понимается не только бездефектное выполнение изделия, но и обязательно его контроль, т. к. практически при изготовлении любого изделия нельзя гарантировать на 100 % отсутствия в нем каких-либо значительных или незначительных дефектов.

В курсе «Контроль качества материалов и сварных соединений» рассматриваются вопросы контроля качества сварки в сварочном производстве. В зависимости от назначения изделия, степени его сложности и ответственности, а также материала, из которого оно выполняется, контроль качества сварных соединений в современном производстве выполняется неразрушающими и разрушающими методами. К неразрушающим методам контроля относятся внешний осмотр, ультразвуковой, капиллярный, магнитный, магнитоэлектрический, течеисканием и радиационный. К методам контроля с разрушением конструкции относятся испытания образцов на растяжение, изгиб, удар, коррозионные и циклические нагрузки, а так же определение микро- и макроструктуры и твердости, химического состава. Кроме этого, на предприятиях, где производится изготовление сварных конструкций, постоянно осуществляется входной контроль сварочных и свариваемых материалов, контроль квалификации ИТР и сварщиков, контроль приборов и инструментов, носителей энергии и т. д.

Контроль качества продукции занимает существенный объем в общем производственном цикле. Так, в качестве примера можно указать, что из 236 часов, предназначенных для изготовления одного стыка трубы Dy = 800 мм в одном контуре блока АЭС, на контрольные операции расходуется 52 часа, т. е. почти четверть общего производственного времени.

Знание методов контроля качества необходимо не только работникам, занятым в сфере производства изделия, но и также ИТР, участвующим в цикле производства изделия и конструкторам, осуществляющим его разработку. Это позволит повысить надежность изделия, увеличить срок его эксплуатации и сократить его стоимость.

Качество сварного соединения

Под качеством сварных соединений понимается способность основного металла, из которого состоит соединение, и сварного шва отвечать требованиям надежности и безопасности его эксплуатации в течение моторесурса, оговоренного условиями на поставку изделия. Надежность, безопасность и моторесурс изделия зависят от соответствия основного металла и сварного шва уровню требований, предъявляемых к шву. Любое отклонение от уровня требований проявляется в возникновении дефекта.

Виды дефектов, встречающихся в основном

металле и сварных швах

Дефекты, встречающиеся в основном металле и сварных швах, различаются по природе и происхождению, ориентировке и расположению. Все они вызывают изменения физических свойств материала деталей и швов, таких как магнитная проницаемость, электропроводность, теплопроводность, звукопроницаемость и др.

В полуфабрикатах-листах, профилях, отливках могут встречаться такие металлургические дефекты, как несоответствие химического состава металла стандартам, газовая пористость, ликвация по плотности металла, неметаллические включения, несплавления, горячие и холодные трещины.

При обработке давлением в полуфабрикатах возникают следующие дефекты: трещины и разрывы; риски и волосовины; закаты в виде заусенцев глубиной более 1 мм; плены в виде пленок на поверхности толщиной до 1,5 мм; расслоения; внутренние нарушения сплошности; параллельные плоскости проката; шлаковые включения; разрывы и надрывы металла по краям; флокены, появляющиеся в центральной зоне кованых или катаных заготовок.

К дефектам термообработки относятся перегревы и пережоги, которые приводят к образованию крупнозернистых структур, оксидных и сульфидных выделений по границам зерен, термических трещин, возникающих на поверхности, и проникающих вглубь металла, обезуглероживание и науглероживание металла.

В сварочном производстве различают дефекты подготовки под сварку и дефекты, возникающие в процессе сварки. Дефекты бывают внутренние и наружные, сквозные и несквозные. Наружные дефекты определяются внешним осмотром, внутренние (сквозные и несквозные) - неразрушающими методами контроля.

Дефекты, допущенные при подготовке под сварку, приводят, как правило, к появлению сварочных дефектов. К ним относятся: неправильно выполненный угол скоса кромок, большое или малое притупление в корне шва, непостоянство зазора между стыкуемыми кромками, несовпадение стыкуемых плоскостей кромок, расслоение металла на кромках.

Дефекты, возникающие при сварке, могут быть классифицированы следующим образом.

К наружным дефектам относятся дефекты несоответствия формы сварных соединений конструктивным элементам сварного шва. Эти дефекты обусловлены либо неправильной подготовкой сварного соединения, либо нарушением отдельных параметров режима сварки:

Прожоги - сквозные проплавления свариваемых элементов конструкции. Этот дефект является следствием неправильной сборки или завышением режимов сварки.

Подрезы - резкие углубления на границе сплавления шва и основного металла. Этот дефект вызван неправильным положением электрода или нарушением параметров режима сварки.

Наплывы и натеки - излишний металл около кромок шва, несплавившийся с основным металлом. Дефект неправильного пространственного положения свариваемых деталей, электрода или нарушения режима сварки.

Незаверенные кратеры - углубления в конце шва, вызванные недостаточной квалификацией сварщика.

Поверхностные поры, возникающие на сварном шве из-за наличия влаги в непрокаленных электродах или флюсе, ржавчины на кромках или нарушения газовой защиты при дуговой сварке в защитных газах.

К внутренним относятся дефекты, которые не обнаруживаются при внешнем осмотре сварного соединения:

Трещины - частичные местные разрушения сварного соединения как по металлу шва, так и по основному металлу. Как в наплавленном, так и в основном металле, трещины появляются вследствие развития собственных напряжений, которые возникают из-за литейной усадки, изменения объема при остывании металла в жестком контуре и структурных превращениях. В зависимости от температур, при которых возникают трещины, они подразделяются на горячие, образующиеся в интервале температур 1100 – 1300 °С, и холодные, возникающие при остывании сварного соединения до температур ниже 300 °С. По своей ориентации относительно оси шва трещины бывают: продольные (параллельные оси шва), которые возникают, в основном, в центре наплавляемого валика и поперечные - перпендикулярные оси шва. Они могут располагаться в металле шва, на линии сплавления и в зоне термического влияния.

Непровары - это дефекты, возникающие из-за несплавления кромок или предыдущих валиков с наплавляемым валиком шва. В основном эти дефекты связаны с плохой подготовкой кромок, уменьшением зазора между притуплениями, плохой зачисткой валиков шва, на которые производится наплавка, нарушением режима сварки или смещением электрода. Характерная особенность непровара состоит в том, что он заканчивается в металле шва «усами», своеобразными ответвлениями в виде трещин, которые, как правило, из-за малого раскрытия (0,01 - 0,1 мм) не выявляются при рентгене и гаммаграфировании.

Поры - различной величины пузырьки сферической формы в наплавленном металле шва. Поры возникают из-за уменьшения растворимости газов в жидком металле сварного шва при его остывании. Газы, наполняющие поры состоят из СО, Н2 и N2. Поры образуются из-за плохого раскисления металла шва при сварке сталей, некачественной зачистки кромок (наличия на поверхности металла жиров, ржавчины, влаги), из-за сварки непрокаленными электродами или флюсами.

Шлаковые и окисные включения встречаются в металле шва в виде небольших объектов, заполненных неметаллическими включениями - шлаком и окисными пленками. Шлаки и окисные пленки обычно заполняют непровары или являются самостоятельными образованиями, располагающимися в середине сварного валика. Это шлаки, которые не успели всплыть в процессе сварки. Как и поры, шлаковые включения имеют различную величину от микроскопических до капель в несколько миллиметров в поперечнике. По форме шлаковые включения разнообразны: сферические, игольчатые, плоские, вытянутые в виде пленок, разделяющих прилегающие объемы металла. При определенных условиях шлаковые включения могут стать очагом образования трещин. Причина возникновения шлаковых включений - это плохая очистка шлака от поверхности шва при многослойной сварке, применение тугоплавких флюсов, некачественное покрытие электродов или низкая квалификация сварщика.

Металлические включения - дефекты в виде кусочков нерасплавившейся проволоки или кусочков вольфрама, отколовшихся от неплавящегося вольфрамового электрода в процессе сварки. Проволочные включения встречаются крайне редко, т. к. этот брак легко заметен при визуальном осмотре и может быть легко устранен. Вольфрамовые включения встречаются в швах стальных, алюминиевых, титановых и других конструкций, выполняемых неплавящимся электродом. Причиной откола заточенной части электрода является использование некачественного вольфрама, нарушение режима сварки или низкая квалификация сварщика. Вольфрамовые включения могут быть одиночные или групповые. Размеры одиночных включений колеблются от 0,4 до 3 мм. Групповые включения описываются размером всей группы и могут достигать в одном измерении (продольном) 5 - 10 мм.

Влияние дефектов на работоспособность сварных соединений

Все дефекты основного металла и сварного шва снижают показатели работоспособности сварного соединения в зависимости от свойств самого материала, вида и величины приложенной нагрузки.

Так, у пластичных материалов такие дефекты, как поры и непровары снижают при статических нагрузках прочностные показатели пропорционально площади поперечного сечения дефекта в общей площади поперечного сечения конструкции. Однако, даже для пластичных материалов при динамических, вибрационных и циклических нагрузках эта пропорциональность снижает работоспособность более интенсивно, чем при идентичных по величине статических нагрузках.

Накопленный опыт показывает, что для альтернативной оценки опасности влияния сварочных дефектов, их целесообразно разделить на две группы: объемные и плоскостные. Объемные дефекты, такие как, поры, непровары, зашлаковки, и т. д. не оказывают существенного влияния на работоспособность соединения, особенно при статических нагрузках. Поэтому эти дефекты можно нормировать по размерам или площади ослабления ими конструкции, и в ряде случаев даже оставлять без изменения.

В то же время, плоскостные дефекты, к которым относятся трещины, пленки, несплавления, подрезы и др. по нормативно-технической документации, как правило, считаются недопустимыми.

Все дефекты, объемные и плоские, подразделяются на критические, значительные, малозначительные, а так же устранимые и неустранимые.

Критическими называются дефекты, которые делают использование сварного соединения недопустимым. Значительными называются дефекты, которые оказывают существенное влияние на надежность и ресурс работоспособности создаваемой продукции. Малозначительными называются дефекты, не влияющие на эксплуатационные показатели продукции. Устранимыми называются дефекты, которые технически возможно устранить, неустранимые – которые невозможно устранить. Значение допустимых наружных и внутренних дефектов указывается в нормативно-технической документации. Категории швов и объем контроля определяется заказчиком и проектировщиком и содержится в основном документе, регламентирующем нормы контроля на изделие – правилах контроля – ПК.

КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И ВНЕШНИЙ ОСМОТР

Качество сварных изделий можно обеспечить в том случае, если качество основных и сварочных материалов удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям.

На предприятиях, где изготовляются сварные конструкции, осуществляется входной контроль, при котором проверяются основной металл и сварочные материалы, поступающие для объекта. Полуфабрикаты (лист, поковка, профиль, трубы и т.п.), поступающие на предприятие, должны иметь маркировку с указанием марки сплава, номера партии, плавки и т. п.

В сертификате, который прилагается к полуфабрикатам, указывается марка сплава, химический состав, номер партии и плавки, масса и показатели механических свойств - предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, поперечное сужение, угол загиба, ударная вязкость. Эти показатели должны соответствовать ТУ на поставку полуфабрикатов. После этого поступившие полуфабрикаты проходят внешний осмотр с целью выявления наружных дефектов - вмятин, расслоений, трещин, закатов и т. д.

При отсутствии сертификата, до определения химического состава, механических свойств и испытаний на свариваемость, металл запрещается запускать в производство.

Свариваемость сталей наиболее просто определить по расчетному эквиваленту углерода

Обычные конструкционные или теплостойкие стали являются хорошо свариваемыми при Сэкв< 0,45 %. Высокопрочные стали хорошо свариваются при С < 0,15 %.

Сварочными материалами являются обмазанные электроды, проволоки, применяемые в качестве плавящихся электродов при механизированных методах сварки, сварочные флюсы, защитные (CO2, Ar и др.) и горючие (C2H2 и его заменители) газы, вольфрамовые электроды.

Каждая партия электродов имеет сертификат, в котором указан завод-изготовитель, дата изготовления, номер и масса партии, ГОСТ или ТУ на электроды, диаметр, тип и марка электрода, механические свойства наплавленного металла, рекомендуемые режимы сварки и прокалки и т. п. Каждая пачка, кроме этого, имеет этикетку, на которой частично повторяются данные сертификата. На предприятии-изготовителе конструкции при входном контроле выборочно проверяются на соответствие электродов сертификату. Для этого выборочно вскрываются пачки. Покрытие электродов должно быть прочным и плотным, не иметь пор, трещин, вздутий, комков неразмешанных компонентов. Допускаются поры глубиной 0,5 от толщины покрытия и не более 3-х на длине 100 мм, риски, задиры глубиной не более 0,25 от толщины покрытия, не более 2-х волосяных трещин длиной до 12 мм каждая, вмятины - не более 3-х - глубиной до 0,5 от толщины покрытия и длиной до 12 мм каждая. На некачественные электроды составляется браковочный акт. При отсутствии сертификата применять электроды запрещается. Необходимо определить все свойства электродов, после чего решить вопрос об их применении.

Входной контроль проволоки для механизированной сварки и прутков для ручной аргонодуговой сварки осуществляется следующим образом. Бухты проволоки и тары с прутками снабжены металлическими бирками, на которых указано обозначение проволоки по стандарту, номер плавки, завод- изготовитель, а также стоит клеймо ОТК завода. Каждая партия проволоки или прутков имеет сертификат, в котором указывается ее марка, диаметр, химический состав, номер плавки, стандарт, масса партии и завод-изготовитель. После проверки наличия сертификата и бирок проверяют визуально поверхность проволоки. Не допускается иметь на поверхности ржавчину, грязь, краски, масла, следы графитовой или мыльной смазки. При наличии указанных загрязнений, они удаляются заводом- производителем сварных объектов.

При отсутствии сертификата на проволоку следует произвести контроль с определением всех свойств, после чего решается вопрос об ее допуске в производство. Особое внимание при получении и хранении следует обратить на порошковую проволоку, которая хорошо поглощает влагу. Через каждые 6 месяцев хранения ее необходимо прокаливать и производить испытание ее технологических свойств.

Приемку флюса так же осуществляют по сертификату. Перед поступлением на сварку его обязательно прокаливают. Неплохо произвести также технологический контроль, т. е. на технологической планке выполнить пробную сварку. После проверок сваривают под флюсом тавровый образец и исследуют наплавленный металл на содержание углерода и серы. Флюсы гигроскопичны и поэтому при их хранении предпринимаются меры по удалению со склада источников влаги.

Газы, поступающие на завод-изготовитель, должны иметь сертификат завода-поставщика с указанием стандарта или технических условий, названия газа, процентного содержания примесей, точки росы (влажности) и даты выпуска. Качество газа при наличии сертификата, перепроверяется только при появлении недопустимых дефектов при сварке.

Контроль сварочного оборудования осуществляется в два этапа. На первом этапе контролируется выбор номенклатуры необходимого оборудования при сварке. На втором этапе устанавливается периодический контроль качества выбранного оборудования. Номенклатура оборудования выбирается в соответствии с программой предприятия. Контроль сварочного оборудования осуществляется соответствующими службами, электрические и газовые приборы периодически проходят поверку метрологической службой завода. Проверку и профилактический ремонт автоматов, полуавтоматов и источников выполняют службы главного энергетика и т. д. Каждый сварочный пост механизированной сварки подключается к отдельному источнику. Оборудование для аргонодуговой сварки обеспечивается устройствами для плавного гашения дуги. Каждый пост механизированной сварки обеспечивается амперметром и вольтметром, каждый пост ручной сварки - амперметром.

Контроль технологии сварки начинается с контроля соединения, собранного под сварку. Проверяется угол разделки, толщина притупления, ширина зазора между деталями, правильность постановки прихваток, механическая зачистка кромок и основного металла на ширине не менее 20 мм от кромки. Проверяется вся конструкция на чистоту - отсутствие грязи, масла, краски, воды, ржавчины.

При производстве сварочных работ контролируются режимы сварки (ток, напряжение, скорость сварки). Этот контроль в процессе сварки выполняется сварщиками-операторами по приборам. Сварщик внешним осмотром контролирует так же качество сварочных материалов, выданных ему, на предмет отсутствия грязи, масла и ржавчины.

Контроль квалификации сварщиков - один из наиболее важных вопросов. Квалификацию сварщик получает после достижения 18 лет и окончания ПТУ или курсов по сварке и к самостоятельной работе по ручной сварке допускается, проработав не менее 6 месяцев, а к автоматической - не менее 3 месяцев. Сварщик, допущенный на самостоятельную работу, аттестуется один раз в год, если у него не было существенного брака в работе. При наличии брака, сварщик отстраняется от самостоятельной работы, а также, если он не работал на данной сварочной операции длительное время (от 2-х до 6-ти месяцев). В этих случаях сварщик должен пройти специальную теоретическую подготовку и аттестацию. При переходе на новые виды сварки или новые материалы сварщик также проходит подготовку и аттестацию. Это требование также распространяется на ИТР, руководящих сварочными работами.

Внешний осмотр сварных соединений производится для выявления таких дефектов, как наплывы, подрезы, поверхностные поры и трещины, зашлаковки, грубая чешуйчатость, свищи и геометрические отклонения от заданной формы шва. Внешний осмотр производится невооруженным глазом, а в сомнительных местах с помощью лупы 5- или 7-кратного увеличения после тщательной зачистки поверхности швов от шлака, брызг и т. п. Осмотру подвергается шов и прилегающая к нему справа и слева 20-ти мм зона основного металла. Осмотр производится с двух сторон (если это возможно) по всей их поверхности. Измерения производятся с помощью линеек, штангенциркулей, универсальных и специальных шаблонов. Операции контроля фиксируются в специальных: документах, если это предусмотрено требованиями руководящей документации.

Классификация видов технического контроля

В понятие технического контроля входят все виды контроля качества производимой предприятием продукции – входной контроль, технологический, операционный и приемочный. Однако первые два вида контроля рассматриваются в предыдущем параграфе, а последний вид контроля (приемочный) является объединяющим все предыдущие.

Поэтому рассмотрим операционные методы контроля, которые можно подразделить на две категории: неразрушающие и разрушающие методы.

К разрушающим методам относятся виды, связанные с изготовлением из материалов, предназначенных для создания продукции, образцов, характеризующих химический состав, механические и коррозионные свойства, и испытания этих образцов. Кроме этого, разрушающими методами контроля устанавливаются такие характеристики, как взрывостойкость, работоспособность материала в условиях знакопеременных циклических нагрузок, низких и высоких температур.

К неразрушающим видам операционного технического контроля относятся следующие.

1. Ультразвуковые методы, основанные на регистрации упругих колебаний, возбужденных в контролируемом объекте и определяющие нарушения сплошности металла.

2. Магнитные методы, основанные на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектом, и определяющие поверхностные и подповерхностные дефекты.

3. Капиллярные методы контроля, основанные на проникновении индикаторных жидкостей в полости поверхностных капиллярных дефектов.

4. Методы течеискания, основанные на регистрации индикаторных жидкостей и газов, проникающие в сквозные дефекты проверяемого объекта.

5. Радиационные методы, основанные на регистрации проникающего в материал изделия ионизирующего гамма- и рентгеновского излучения.

6. Вихретоковые методы, позволяющие выявлять нарушения поверхностной и подповерхностной сплошности на деталях различной конфигурации.

Организационная структура службы контроля

Фундаментальные проблемы неразрушающего и разрушающего контроля решаются в институтах РАН и отраслевых институтах с привлечением ВУЗов. Национальный комитет по неразрушающему контролю выпускает журнал «Дефектоскопия». Стандартизацию методов контроля осуществляет Госстандарт с привлечением отраслевых институтов и заинтересованных предприятий. Общая координация работ по видам контроля в отечественном производстве выполняется Госкомитетом России по науке и технике, в котором имеются соответствующие комиссии и секции.

Виды контроля и их формы определяются заказчиком изделия и проектантом, поэтому до передачи конструкторской документации предприятию-изготовителю, она согласуется со всеми разработчиками комплектующих изделий, материалов и полуфабрикатов, поступающих на предприятие-изготовитель.

Предприятием-изготовителем и привлекаемыми контрагентскими организациями на каждый вид работ (создание металлических конструкций, сборка и установка механизмов, монтаж электрооборудования и др.), выпускаются документы, содержащие технологическую последовательность выполняемых операций. Там же заложены операции подготовки и выполнения контроля.

На предприятии-изготовителе и у контрагентов, непосредственно участвующих в строительстве заказа, функционируют с разными названиями следующие службы контроля.

1. Входной контроль, осуществляющий проверку качества, поступающих на предприятие материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий и решающий вопросы возможности их применения.

2. Метрологическая служба осуществляет разработку и контроль стандартов предприятия, технологических карт, согласовывает конструкторскую и технологическую документацию на контроль, а также проводит систематический контроль за эксплуатацией оборудования и приборов контроля и проводит их технологический и текущий ремонт;

3. Служба разрушающих методов контроля осуществляет выборочный контроль в соответствии с сертификатами поступающих материалов, полуфабрикатов и т. д., определяет причины нарушений работоспособности изделий, выявленных в процессе строительства или сдаточных испытаний, и участвуют в их устранении.

4. Служба неразрушающих методов контроля осуществляет контроль производимых изделий, входной, пооперационный, сдаточный. Совершенствует методы контроля и выпускает технологическую документацию на них, проводит работы по подготовке кадров и аттестации ИТР.

5. Служба приемки осуществляет оформление документации всех видов контроля готового изделия, проводит сдаточные испытания и участвует в передаче продукции заказчику.

В структурных подразделениях предприятий – цехах – существуют службы контроля БТК (бюро технического контроля), которые выполняют комплекс средств контроля технологических операций изделия, выполняемых в данном цехе. Кроме того, на предприятиях существуют центральные службы ОТК (отдел технического контроля), подчиняющийся директору предприятия. Организациями, контролирующими работу служб контроля предприятий, являются Госстандарт, Госгортехнадзор, Госатомэнергонадзор, Морской регистр.

Задачи и возможности статистического метода

управления качеством

Дальнейшее развитие управления качества продукции связаны с применением статистического контроля качества продукции. Статистический контроль в широком понимании этого слова включает статистический анализ точности и стабильности технологических процессов в сочетании со статистическими методами контроля. Этот комплекс работ предполагает оперативное распространение информации о статистических методах контроля по всем звеньям технологической цепи предприятия с ее анализом и оперативным воздействием на технологический процесс.

В зависимости от объектов проверки изготовляемой продукции, контроль может быть сплошным и выборочным. Сплошной контроль применяют для проверки изделий, работающих в сложных эксплуатационных условиях. Часто при производстве однотипных изделий неответственного назначения решение о качестве изделия принимается по результатам проверки определенного объема выборки. В промышленности подобные изделия составляют более половины всей продукции. При выпуске первых партий, выборка контроля в которых составляет 100 %, по результатам контроля отрабатываются отдельные операции технологического процесса, и доводится количество отбракованных изделий до приемлемой величины, после чего, в последующих партиях сокращается объем выборок и по результатам контрольной выборки принимаются решения о приемке продукции, корректировке технологического процесса. Для определения объема выборок применяется теория вероятности с ее статистическими методами, и устанавливаются доверительные интервалы вероятности допустимой погрешности. Это позволяет упорядочить систему управления качеством продукции.

КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДОМ КАПИЛЛЯРНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

Капиллярные методы контроля основаны на процессах смачивания и капиллярного течения жидкостей. Смачивание является одной из первых стадий физико-химического взаимодействия жидкости с твердым телом и характеризует степень этого взаимодействия. При попадании капли жидкости на твердое тело, она может растекаться по нему или образовывать нерастекающуюся каплю. Это зависит от соотношения поверхностных натяжений на границе раздела: жидкость, газ, твердое тело. Под поверхностным натяжением понимается сила, возникающая на поверхности раздела сред, направленная по касательной к поверхности и стремящаяся сократить свободную поверхность жидкости. Возникает она из-за разности сил взаимодействия частиц жидкости, находящихся на поверхности раздела, с частицами собственного тела и частицами окружающей среды (рис. 1).

Рис 1. Схема равновесия векторов сил

поверхностного натяжения капли жидкости

на поверхности твердого тела:

1 - газ, 2 - жидкость, 3 - твердое тело.

При растекании капли жидкости по плоской поверхности твердого тела условия ее равновесия могут быть выражены в виде равновесия векторов или поверхностного напряжения в точке на границе трех фаз (рис. 1). Этой границей является периметр поверхности смачивания.

1,3 = 2,3 + 1,2  cos(), (1)

где 1,3 - поверхностное натяжение между твердым телом и

газовой средой, действующее на каплю по периметру ее

основания;

2,3 - поверхностное натяжение жидкости на границе с

твердым телом;

1,2 - поверхностное натяжение жидкости на границе с газовой

средой.

Из выражения (1) следует, что

 cos () = (1,3 - 2,3)/ 1,2.

Косинус угла , характеризующий смачивающую способность жидкости, называется коэффициентом смачивания. В том случае, если 0° <  < 90° жидкость смачивает поверхность твердого тела. Когда же 0° >  > 90° жидкость практически не смачивает поверхность твердого тела. Полное смачивание поверхности твердого тела происходит при cos  = 0.

Растекание жидкостей и смачивание ими поверхностей твердого тела, сопровождающееся увеличением поверхности, покрытой жидкостью, происходит в результате нескомпенсированности энергии поверхностей твердого и жидкого материалов. При этом совершается работа, затрачиваемая на преодоление сил поверхностного натяжения. Эта работа совершается разностью давлений между вогнутой и выпуклой сторонами поверхности смачивающей жидкости и может быть определена, исходя из изменений свободной энергии при перемещении элемента этой поверхности. Поверхностный слой жидкости, имеющей кривизну, оказывает добавочное давление по сравнению с тем, которое она испытывает при наличии плоской поверхности. Этим добавочным давлением, главным образом, обусловлены все капиллярные явления взаимодействующих с твердыми материалами жидкостей.

 

Рис. 2. Изменение уровня жидкости в узких трубках-капиллярах при смачивании и несмачивании его стенок

Капиллярное давление обратно пропорционально радиусу кривизны мениска (см. рис. 2).

 P = 1,2  cos()/R.

Смачивающие жидкости под действием капиллярного давления заполняют полости любой формы. Несмачивающие жидкости выталкиваются из полостей (см. рис. 2).

При наличии жидкости на поверхности детали в полости трещины образуется один мениск, при этом капиллярное давление равно (см. рис. 3)

 P = 2  1,2  cos()/В,

где В – ширина трещины на уровне мениска.

.

Рис. 3. Заполнение полости трещины

смачивающей жидкостью

Если с поверхности детали удалить жидкость, то в полости трещины возникнут два мениска, которые вызовут появление капиллярных сил, действующих в противоположных направлениях (см. рис. 4).

Рис. 4. Положение жидкости в полости трещины при отсутствии жидкости на поверхности твердого тела

В рассматриваемом случае жидкость будет проникать в полость трещины под действием разности давлений

P1 – P2 = 2  1,2  cos() (1/B1 – 1/B2)

Жидкость, заполнившая полость трещины, будет удерживаться в ней капиллярным давлением даже в случае удаления этой жидкости с поверхности детали. При наложении на поверхность детали со стороны раскрытия трещины пористого вещества (краска, порошок и др.), в его порах или несплошностях образуется система малых менисков с большой кривизной. При нормальном атмосферном давлении и положительной температуре каждый мениск создает капиллярное давление Р, которое превышает атмосферное давление и действует в направлении, противоположном кривизне мениска (см. рис. 5).

Рис. 5. Заполнение жидкостью пор и несплошностей проявителя

Вывод красящей жидкости на поверхность пористого вещества окрашивает его, указывая само место дефекта и его размеры.

Если на поверхности жидкости поместить порошкообразное вещество, то на границе раздела каждой частицы порошка и жидкости начинают действовать явления сорбции, т. е. прилипания жидкости к поверхности твердого тела. Благодаря явлениям физической адсорбции жидкость вытягивается порошком на поверхность, и это явление лежит в основе индикации или проявления капиллярного дефекта, выходящего на поверхность детали. В качестве порошков применяются так же вещества, вступающие в химическую реакцию с жидкостью. Это явление называется химической адсорбцией. Когда вместо порошков используются пленки или красящий проявитель, передача жидкости из капилляра на пленку или в другую жидкость осуществляется по принципу диффузии. Индикаторная жидкость в капиллярных методах дефектоскопии называется пенетрантом.  Основными документами, регламентирующими применение метода, являются ГОСТ 18442-80 «Контроль неразрушающий. Капиллярные методы контроля», ГОСТ 23349-78 «Дефектоскопы капиллярные. Общие технические требования и методы испытаний» и ГОСТ 24522-80 «Контроль неразрушающий капиллярный. Термины и определения».

Технология проведения капиллярного метода дефектоскопии состоит из следующих операций.

Механическая зачистка поверхности контролируемого объекта (удаление шлака, брызг, наплывов, крупной чешуйчатости швов, оксидных пленок). Эту зачистку производят шкурками, щетками, пневматическими и электрическими шлифовальными машинками.

Затем поверхность тщательно чистится от грязи, красок, жиров и т. д. посредством водных смывок с мыльными порошками, ацетоном, бензином, четыреххлористым углеродом; применяется так же травление слабыми растворами кислот, электрохимическая очистка, ультразвуковая очистка.

После очистки поверхность просушивается, для чего может применяться подогретый до 100 °С воздух.

На подготовленную поверхность наносится пенетрант. Во всех случаях пенетрант для лучшего проникновения в поверхностные дефекты оставляют на поверхности в течение 10- 20 минут.

Существуют способы интенсификации пропитки, например, повышением давления, воздействием ультразвуковыми колебаниями, пропиткой в вакууме.

Требования, которые предъявляются к пенетрантам для эффективного выполнения ими своих функций следующие. Хорошая смачиваемость и низкая вязкость для уменьшения времени пропитки, а так же надежная индикация после проявления. Требованиям смачиваемости и низкой вязкости удовлетворяют такие вещества как керосин, бензин, жидкие масла, спирт, бензол, скипидар.

После выдерживания в течение 10 - 20 минут, с поверхности тщательно удаляют излишки пенетранта, т. е. удаляется весь пенетрант, не попавший в поверхностные дефекты. Для этого применяют протирку, промывку, обдувку опилками, песком и гашение. Промывку осуществляют очистителями. В качестве очистителей применяют водные смывки с растворенными в них мыльными порошками, сода и т. д. Применяются так же органические растворители - ацетон, спирт с порошком ОП-7, керосин, жидкие масла. После промывки изделие сушат и проверяют внешним осмотром: не осталось ли где на поверхности следов пенетранта. Иногда, вместо промывки, применяют гашение - это устранение люминесценции или цветного контраста индикаторного пенетранта в результате химического воздействия веществ-гасителей на плоской поверхности объекта или в неглубоких неровностях. Для гашения пенетранта в дефекте, где глубина в несколько раз больше ширины раскрытия, количество гасителя не хватает.

После устранения пенетранта с поверхности объекта производят проявление. Проявление - это процесс образования рисунка индикации. В качестве проявителя используют белый тонкодисперсный порошок (оксид магния, углекислый магний, углекислый кальций, тальк), который наносят распылением струей воздуха. Применяют так же суспензию порошка углекислого магния или каолина в воде, либо в спирте. Проявление так же осуществляют лаком, краской или пленкой, с проявляющимся липким слоем. Проявитель наносят тонким слоем 8 - 20 мкм, что обеспечивает высокий контраст индикации и чувствительность к слабо раскрытым неглубоким дефектам.

После нанесения проявителя дают выдержку 10 - 20 минут, и иногда для ускорения проявления применяют подогрев до 40 –50°С.

После проявления производится осмотр объекта, который рекомендуется производить в три этапа.

1. На первом этапе производится оценка качества изображения. Смотрят, нет ли фона, нет ли непокрытых проявителем участков, нет ли отслаивания проявителя, следов пыли. Если такие недостатки существуют, производят повторную обработку поверхности дефектоскопическими материалами.

2. На втором этапе производится оценка общего рисунка объекта. Волосовины, закаты, непровары и некоторые виды трещин представляются в виде четких линий при отношении длины к ширине более 3. Межкристаллитные, коррозионные трещины - в виде сеток. Поры, выкрашивания, язвенная коррозия - в виде точек, звездочек.

3. В пределах третьего этапа производится детальное изучение отдельных индикаций, т. к. важно отличить реальные дефекты от ложной индикации, вызванной неровностями поверхности, глубокими рисками от механической обработки, следами краски или масла.

Результаты контроля заносят в журнал и составляют заключение по контролю. При изображении дефектов на схеме изделия приняты следующие обозначения: А - единичные дефекты; Б – групповые, расположенные в ограниченных зонах; В - повсеместно распределенные. По ориентации относительно главных осей объекта дефекты делятся на // - параллельные,  - перпендикулярные, |_ - расположенные под углом и без знака - дефекты, не имеющие определенной ориентации.

По допустимости: без знака - недопустимые; обведенные кружком или четырехугольником – допустимые; сквозные дефекты отмечают звездочкой. Например, - групповые допустимые дефекты, расположенные перпендикулярно оси объекта; А* - единичный сквозной недопустимый дефект без преобладающей ориентации.

Окончательную очистку объекта после контроля осуществляют влажной протиркой, промывкой водой или растворителем, обдувкой песком или другим абразивным материалом. Пленочный проявитель отклеивают или выжигают. Если следы процесса капиллярной дефектоскопии не влияют на эксплуатационные качества объекта, операцию по очистке не проводят.

Расход дефектоскопических материалов зависит от качества поверхности контролируемого объекта, ее расположения, консистенции материалов, способа их нанесения. Расход пенетранта 0,3 - 0,5 л/м2, очистителя в 2 - 3 раза больше. Расход порошкообразного проявителя 40 – 50 г, суспензии 300 г на 1 л пенетранта.

Время, необходимое для контроля относительно небольшого объекта типа турбинной лопатки - 0,5 - 1,1 ч в зависимости от дефектоскопических материалов и требований по чувствительности. Затраты времени (в минутах) на проведение отдельных операций распределяются при этом следующим образом: подготовка к контролю 5 - 20 мин, пропитка 10 - 15 мин, удаление избытка пенетранта 3 - 5 мин, проявление 10 - 20 мин, осмотр 2 - 5 мин, окончательная очистка 0 - 5 мин.

При совмещении разных операций у последовательно поступающих на контроль изделий можно сократить время контроля в 5 - 10 раз.

Классификация методов капиллярного контроля различается по способам их индикации после проявления. К основным методам относятся люминесцентно-цветной, люминесцентный и цветной.

Для каждого способа индикации разработаны свои комплексы дефектоскопических материалов.

Люминесцентный метод контроля заключается в том, что после проявления, дефекты способны светиться под действием ультрафиолетового облучения. В качестве пенетрантов при люминесцентном методе контроля используются люминесцентные жидкости типа ЛЖ (ЛЖ1, ЛЖ2…ЛЖ6), в состав которых входит люминофор № 2, светящийся в очень тонких слоях. В качестве проявителей используют белые порошки оксидов магния, цинка, титана, талька и т. п., грануляция которых составляет 0,2 - 0,8 мкм. За счет сорбционных процессов порошки вытаскивают пенетранты на поверхность дефекта, и он светится в ультрафиолетовом освещении. При люминесцентной дефектоскопии в качестве очистительной жидкости применяют ОЖ-1 - водный раствор эмульгаторов ОП-4, ОП-7 и ОП-10. Хорошими люминесцирующими свойствами обладают нориол и трансформаторное масло, растворы которых в керосине, бензине и других жидкостях, используемых в качестве пенетрантов, применяются при люминесцентном контроле.

При люминесцентном методе контроля могут применяться не только сорбционные, но и диффузионные способы проявления.

Ультрафиолетовое облучение контролируемого объекта при осмотре осуществляется ртутными лампами типа ЛУФ-4-1 или ДРУФ. При этом УФ облученность объекта контроля должна лежать в пределах 750 - 8000 мкВт/с.

При цветном методе контроля следы индикаторного пенетранта обнаруживают благодаря различному отражению дневного света от проявителя и пенетранта. Для увеличения контраста этого отражения в пенетрант добавляют органические жирорастворимые темно-красные красители типа 5С, Ж, «Судан». Проявление пенетранта осуществляется за счет нанесения на объект белой проявляющей краски сразу после очистки от пенетранта. Хорошая освещенность объекта контроля - одно из обязательных требований при цветном способе. Общая освещенность рабочего места должна находиться на уровне от 300 до 3000 лк. Могут использоваться как люминесцентные лампы, так и лампы накаливания.

В люминесцентно-цветном методе используются люминофоры – красители, которые светятся в оранжево-красной области спектра при УФ облучении, и избирательно отражают дневной свет в красной области спектра.

Люминесцентно-цветной контроль осуществляется с помощью комплекта Аэро-12А. Пенетрант комплекта состоит из флуоресцирующего красителя родамина-С, растворителя - гидролизного или технического этилового спирта и эмульгатора ОП-7 (эмульгатор - поверхностно активное вещество). Очистку ведут водой, очистителем на основе ОП-7 и этилового спирта, окончательная очистка – водой.

Проявителем служит лак на основе белой нитроэмали «Экстра», коллодии ацетона. Флюоресцирующий краситель образует твердый раствор в проявившейся пленке, который имеет ярко-красный цвет при освещении дневным светом и сохраняет способность к люминесценции. По окончании контроля проявляющуюся пленку удаляют протиранием или промывкой в ацетоне.

Чувствительность капиллярного контроля зависит от качества и правильности подбора дефектоскопических материалов. Поэтому все дефектоскопические материалы проходят предварительную проверку. Пенетрант проверяют на смачиваемость, вязкость и индикаторную способность. Проявитель проверяют на белизну по сравнению с баритовой пластиной. Порошковый и красящий проявители для люминесцентного контроля проверяют визуально в УФ лучах.

Для комплексной проверки чувствительности различных методов дефектоскопии применяют стандартные образцы с искусственными дефектами. ГОСТ 23349-78 для оценки уровня чувствительности рекомендует применять натурные образцы объекта контроля или использовать образцы с инициированными трещинами. Обычно в производственных лабораториях имеются образцы для повседневного использования и контрольные для решения арбитражных вопросов. Стандартные образцы используют для проверки дефектоскопических материалов, определения правильной технологии, аттестации дефектоскопистов и определения общей чувствительности контроля.

ГОСТ 18442-80 устанавливает 5 классов чувствительности по минимальной величине раскрытия выявляемых дефектов. Существуют 2 порога чувствительности - нижний и верхний. Нижний порог чувствительности характеризует дефекты минимальных размеров (ширины и глубины), которые могут быть выявлены данным методом. Верхний порог чувствительности характеризует максимальные размеры выявляемых дефектов. Дело в том, что у очень малых дефектов не хватает пенетранта для контрастной индикации проявителя, а у больших дефектов пенетрант удаляется в процессе устранения его излишков.

Классификация осуществляется по нижнему порогу. Соответствие класса размерам выявляемого дефекта приведено в таблице 1.

 Таблица 1

Класс чувствительности

Минимальная ширина раскрытия дефекта

1

Менее 1мкм

2

От 1 до 10

3

Св. 10 до 100

4

Св. 100 до 500

Технологический

Не нормируют

Первый класс чувствительности могут обеспечить все указанные выше методы с применением в качестве проявителя красок и лака, а так же освещением объектов в процессе осмотра не менее 2000 лк.

Чувствительность по 3-му и 4-му классу обеспечивается с применением в качестве проявителя порошков.

Аппаратуру, предназначенную для капиллярных методов контроля, обозначают следующим образом. В начале ставятся буквы КД (капиллярная дефектоскопия), затем цифры, первая из которых характеризует назначение, а вторая номер модели. За цифрами следует буквенное указание используемого метода выявления дефектов: Л – люминесцентный, Ц – цветной, ЛЦ – люминесцентно-цветной, К – комбинированный. Так, установки КД-20Л и КД-21Л предназначены для ультрафиолетового облучения контролируемого объекта. Установка КД-40ЛЦ – состоит из аэрозольных баллонов со стендом, заряжающим эти баллоны. Установка предназначена для люминесцентной и цветной дефектоскопии.

КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

течеисканием

Течеисканием называется вид неразрушающего контроля, обеспечивающий выявление сквозных дефектов в изделиях и конструкциях, основанный на проникновении через них пробных веществ. Часто вместо течеискания говорят «контроль на герметичность». Герметичностью называется свойство конструкций препятствовать проникновению через их стенки жидкости или газа. Изделие является герметичным, если утечка рабочих веществ в течение заданного времени через его стенку не превышает допустимой величины по условиям работоспособности или экологии окружающей среды.

Основными регламентирующими документами по применению методов течеискания являются ГОСТ 24054-80 «Изделия машиностроения и приборостроения. Методы испытания на герметичность. Общие требования», ГОСТ 3285-77 «Корпуса металлических судов. Методы испытания на непроницаемость и герметичность», ГОСТ 2690-85 «Техника течеискания. Термины и определения».

Методом течеискания выявляются течи, которые определяют сквозной канал или пористый участок перегородки. В большинстве случаев расход газа через эти течи создается за счет перепада давления на этой переборке, а его измерение производится за счет изменения давления внутри испытываемого объекта в течение некоторого времени, т.е.

 

где V - внутренний объем испытываемого объекта,

Р - изменение давления за время t внутри объекта.

Поперечные размеры течей по эффективному диаметру каналов можно подразделить на капиллярные (d > 0,5 мм), макрокапиллярные (0,5 > d > 2*10-4 мм) и микрокапиллярные (d < 2*10-4 мм).

В обыкновенных трубах длина свободного пробега молекулы значительно меньше диаметра отверстия ( ≤ d) и поэтому режим движения газов в нем обычный, вязкий. В условиях такого вязкого режима мгновенный расход газа определяется по уравнению Пуазейля:

 

где l - длина канала,

 - динамический коэффициент вязкости,

 P2, P1 - давление на входе и выходе течи.

В условиях микрокапиллярных каналов ( ≥ d), когда течение становится молекулярным (т. е. газ уже не является сплошной средой), мгновенный расход газа через такой канал определяется по уравнению Кнудсена:

где k - постоянная Больцмана,

Т - абсолютная температура,

 m - масса молекулы.

При   d у газов наблюдается промежуточный режим движения между молекулярным и вязким, а у жидкостей как при  < d, так и при   d имеет место вязкий режим движения и мгновенный расход определяется по уравнению Пуазейля:

Через микрокапиллярные течи жидкость может проходить и за счет поверхностного натяжение при отсутствии перепада давлений.

Методы течеискания основаны на применении пробных веществ, в качестве которых используются газы, жидкости и пары легколетучих жидкостей. На скорость натекания влияет род газа, перепад давления, температура газа и т. д. Поэтому необходима стандартизация условий натекания для возможности приведения результатов к единым критериям. В качестве стандартного газа принимается воздух при атмосферном давлении Р2 = 101325 Па и температуре 20 °С. В качестве стандартного давления внутри контролируемого объекта применяется вакуум. Таким образом, натекание воздуха, находящегося под атмосферным давлением при температуре 20 °С внутри объекта с нулевым давлением, называется натеканием в стандартных условиях.

Для выполнения контроля методами течеискания необходимы средства системы контроля, пробное вещество, средства его обнаружения или измерения, а так же средства и технология подготовки объекта к контролю. Эффективность контроля зависит от всей системы контроля.

Пороговую чувствительность системы контроля определяют величиной минимального натекания в стандартных условиях. Чем выше «чувствительность», тем ниже порог чувствительности.

Все объекты, подлежащие контролю методами течеискания, делятся на 2 класса - замкнутые, доступ к которым возможен только с внешней стороны, и незамкнутые, доступ к которым возможен с двух сторон.

Незамкнутые объекты контролируются путем создания разности давления. По способу создания разности давлений различают схемы с внутренним и внешним избыточным давлением, т. е. избыток давления имеет место внутри или снаружи объекта. Если избыточное давление выше атмосферного, то способ называют опрессовкой или компрессионным. Если избыточное давление создается за счет разряжения (т. е. внутри или снаружи объекта давление ниже атмосферного), то способ контроля называют вакуумным. При этом по разные стороны стенки объекта не обязательно создавать разность давления газа, достаточно создать разность парциальных давлений пробного вещества. Напомним, что если количество газа, занимающего определенный объем:

 q = P  v 

и газ состоит из n компонентов, то концентрация каждого компонента составит

где п - количество данного компонента в смеси,

а парциальное давления этого газа составит

Рп = п  Р.

Для каждой из указанных схем возможны две схемы поиска течей: интегральная, когда течи обнаруживают во всем объёме одновременно и локальные, когда каждая течь обнаруживается в отдельности.

Интегральную и вакуумную схему контроля реализуют в двух режимах - динамическом и статическом. Динамический режим производится при непрерывной откачке пробного вещества в процессе его натекания. Статический режим предусматривает накопление пробного вещества с последующей регистрацией всего накопленного количества.

Замкнутые объекты, содержащие внутри себя газ или легкоиспаряющееся вещество, контролируют с использованием этого вещества как пробного. Иногда в замкнутые объекты специально нагнетают гелий. Если в замкнутом объеме содержится вещество, которое трудно индуцировать, то применяют схему контроля, называемую опрессовкой замкнутых оболочек. Объект помещают в камеру с избыточным давлением пробного вещества, затем извлекают, удаляют с поверхности остатки вещества и либо в вакуумной камере, либо с помощью щупов определяют наличие и места течей.

В энергетическом машиностроении, в основном используются следующие методы контроля: пневматический, вакуумный, пневмогидравлический, химической индикации течей, газоаналитический, а также испытания керосином или пенетрантом.

Пневматический метод применяют при контроле незамкнутых изделий. В качестве пробного вещества используется воздух. Индикация утечки осуществляется посредством пенообразующего вещества, наносимого на контролируемую поверхность объекта со стороны меньшего давления.

При компрессионном способе (избыточное давление больше атмосферного) контроль может осуществляться двумя методами. методом создания внутри объекта избыточного давления и определения течей по пузырькам, выделяющимся на поверхности, обмазанной пенообразующим веществом с наружной стороны объекта, и методом обдува струей воздуха поверхности с одной стороны и регистрации течей с другой стороны детали, обмазанной пенообразующим веществом.

Методом избыточного давления внутри объекта можно обнаружить неплотности с эффективным диаметром до 1 * 10-3 мм. Предельная чувствительность метода по величине потока воздуха составляет 7 * 10-4 – 10-3 мм3*МПа/с.

Обдув воздухом по второму методу производится из гибкого шланга с избыточным давлением 0,04 - 0,05 МПа при расстоянии между концом шланга и обдуваемой поверхностью равным 50 мм.

В сварных швах на деталях толщиной не более 10 мм этим методом могут выявляться дефекты с эффективным диаметром до 0,5 мм.

Аналогичный способ контроля, в котором разность давлений на стенке объекта создается за счет откачивания воздуха, называется вакуумный метод. Контроль выполняется следующим образом. На контролируемое место наносится пенящееся вещество и устанавливается герметичная камера с прозрачной крышкой, через которую можно наблюдать за контролируемой поверхностью. В камере создается вакуум 0,01 - 0,09 МПа и по пузырькам на пенящемся веществе фиксируются течи. Этим методом обнаруживаются неплотности с эффективным диаметром пор до 3 * 10-2 мм и непроваров с шириной до 7 * 10-3 мм.

Пневмогидравлический метод применяют для испытания различного рода емкостей, элементов гидравлических и газовых систем и т. п., работающих под давлением и имеющих сравнительно небольшие размеры, что и позволяет погружать их в испытательные объемы с жидкостью.

Контроль осуществляется следующим образом. В объект подается воздух с избыточным давлением (0,2 - 0,3)Ри, (где Ри - рабочее давление при испытании) и его опускают в бак с индикаторной жидкостью. В качестве индикаторной жидкости используют воду или спирт. Далее давление в изделии повышают до рабочего при испытании и выдерживают его в течение определенного времени, ведут наблюдения за пузырьками газа, появляющимися на поверхности объекта.

Существуют два способа контроля: аквариумный, при котором давление воздуха над поверхностью индикаторной жидкости равно атмосферному, и бароаквариумный, отличающийся от предыдущего, тем, что пространство над индикаторной жидкостью вакуумируют.

При аквариумном способе расход контрольного вещества через течи определяется по формуле

где D0 - диаметр пузырька в момент отрыва от изделия через

время t0 после его зарождения,

РAT - давление над поверхностью индикаторной жидкости,

равное атмосферному давлению.

При этом максимальная чувствительность способа с использованием воды составляет 10-3 мм3*МПа/с, а спирта - 5 * 10-4 мм3*МПа/с.

При бароаквариумном способе, когда PAT = 0

где  - величина поверхностного натяжения,

р - плотность жидкости,

 h0 - высота столба жидкости от контролируемого объекта до

свободной поверхности.

Максимальная чувствительность при использовании бароаквариумного способа составляет 4,5 * 10-6 мм3*МПа/с.

Метод химической индикации течи применяют для контроля сварных соединений емкостей, гидравлических и газовых систем, работающих под давлением и открытых изделий для хранения жидкостей и других материалов, требующих изоляцию от окружающей среды. В основе метода лежит химическое взаимодействие аммиака NH3 с веществами на основе фенолфталеина или азотно-кислой ртути, которые под действием аммиака изменяют свою окраску.

В качестве контрольного вещества в данном методе применяют смесь воздуха с 1 % аммиака или азота с 3 % аммиака (и в том и другом случае имеются в виду проценты объемные). В качестве индикатора используют ленту из фильтровальной бумаги или светлой ткани, которая перед укладкой на контролируемые участки пропитывается раствором фенолфталеина или азотнокислой ртути.

Контролируемое изделие со стороны, противоположной наложенным лентам, наполняют пробным веществом до испытательного избыточного давления и выдерживают в течение некоторого времени.

Величина избыточного давления, состав пробного и индикаторного вещества должны быть указаны в технических условиях на изделие. Заполнение объекта пробным веществом производится разными методами. Если внутренний объем геометрически прост, в него подают аммиак, а затем добавляют воздух до необходимого давления. Если полость имеет сложные формы и ответвления малого диаметра, то его сначала вакуумируют, а затем заполняют пробным газом. Испытательное давление пробного газа не должно превышать рабочего давления конструкции.

После выдержки в течение необходимого времени в зоне течи индикаторная лента проявляется, т. е. изменяется ее цвет. Чувствительность контроля при выдержке 15 - 20 мин составляет 6,65 * 10-4 мм3*МПа/с.

Газоаналитический метод применяют для контроля герметичности замкнутых гидравлических газовых и топливных систем и их элементов, а так же агрегатов и отсеков изделий авиации, судостроительной промышленности, ядерного реакторостроения, химической промышленности и других изделий машиностроения.

Сущность метода заключается в регистрации пробного газа, проходящего через локальные неплотности контролируемого изделия, находящиеся на его поверхности. С контролируемой поверхности воздух захватывается щупами - течеискателями и подается в контрольный прибор, где и определяется наличие пробного газа. В качестве контрольных приборов применяются катарометрические и галоидные датчики, а также масс-спектрометры. Контрольные приборы устроены таким образом, что по теплофизическим свойствам пробных газов они регистрируют не только их наличие, но и захваченное количество в отобранной пробе. В качестве пробных газов применяются водород, гелий, аргон, углекислый газ и галоиды - фреон, четыреххлористый углерод и др. Чувствительность этих методов колеблется в очень широких пределах от (2 - 4) * 10-4 мм3*МПа/с у катарометрических течеискателей, до 6,65 * 10-12 мм3*МПа/с у масс-спектрометрических.

Гидравлическому методу контроля подвергаются различного рода пневматические и гидравлические системы, резервуары и конструкции в судостроительной, авиационной, химической промышленности, в атомном реакторостроении и других отраслях машиностроения, где создаются изделия, работающие при больших нагрузках.

Гидравлические методы контроля могут осуществляться тремя способами - заполнением емкости или системы пробным веществом с последующим созданием избыточного давления, превосходящего рабочее, наливанием воды в систему или резервуар до верхних кромок, и поливом стенки конструкции или узла струей воды.

Избыточное давление при испытании емкостей и систем, как правило, составляет (1,25 - 2) * РРАБ (РРАБ - рабочее давление системы). После определенной выдержки объекта при этом давлении, определяемым техническими условиями, давление снижают до рабочего, а изделие слегка отстукивают молотковым округлым бойком рядом со швом на расстоянии 15 – 20 мм, проходя по всем швам. Герметичность объекта определяют по падению давления во время выдержки, а также по появлению течей в виде струи или капель пробного вещества, а так же по отпотеванию участков поверхности. При таком методе контроля выявляются дефекты диаметром около 1*10-3 мм, и чувствительность контроля эквивалентна утечке воздуха под избыточным давлением 0,1 МПа, равной 3 * 10-2 мм3*МПа/с.

Контролю наливанием пробного вещества подвергаются не герметизируемые изделия - цистерны, баки, отсеки судов и т. д.

Перед контролем объект тщательно подготавливают, убирают мусор, протирают швы, сушат воздухом. Уровень пробного вещества при контроле определяется техническими условиями. Выдержка при этом методе составляет от 0,5 до 24 часов.

Контроль поливом струей пробного вещества осуществляется шлангом с расстояния не менее 3-х метров под давлением 0,1 - 1,0 МПа. В процессе полива осматривается противоположная сторона стенки.

При контроле наливанием и поливом могут быть выявлены дефекты эффективным диаметром до 0,5 мм.

В качестве пробного вещества используется вода или смесь воды с одной десятой процента раствора динатриевой соли флуоресцина (т. н. люминесцентно-гидравлический метод). При использовании подобной смеси, жидкость, проникающая, через течи люминесцирует, что облегчает поиск течи и понижает порог чувствительности метода.

Метод испытания керосином прост в использовании и обладает высокой чувствительностью. В основном он применяется для контроля герметичности незамкнутых и негерметизируемых изделий, однако его можно применять и при герметизируемых емкостях, например, топливных цистернах.

В качестве пробного вещества в керосиновом методе используется чистый керосин или смесь керосина с жирорастворимыми темно-красными красителями типа 5С, Ж, «Судан». В качестве индикатора керосина применяют меловую обмазку.

Различают четыре способа испытаний керосином: керосиновый, керосино-пневматический, керосино-вакуумный и керосино-вибрационный.

Контроль керосиновым методом осуществляется следующим образом. Перед проведением контроля контролируемый шов объекта тщательно зачищают, и со стороны, наиболее удобной для его осмотра и ремонта, наносят меловую обмазку. Состав меловой обмазки: на 1 л воды добавляют 350 – 450 г мела или каолина. В зимних условиях обмазку приготавливают на незамерзающих водных растворителях. Противоположную сторону от обмазки обильно смачивают керосином. Интенсивность и длительность смачивания, время выдержки после смачивания и т. д. указывается в технических условиях на изделие.

Статистика показала, что при контроле сварных швов, на сталях толщиной 4 - 9 мм все течи от пор и трещин при однократном смачивании выявляются за 145 - 180 минут, при многократном - за 55 - 67 минут. При этом течи от трещин выявляются быстрее, чем течи от пор в 7 - 18 раз. Время выявления трещин не зависит от интенсивности смачивания. 80 % трещин выявляются через 5 минут, остальные - за время до 10 мин.

Керосиновым методом могут быть выявлены неплотности диаметром более 0,1 мм. Чувствительность метода составляет 7 * 10-3 мм3*МПа/с.

Другие способы испытания объекта керосином повышают чувствительность и надежность метода. Сущность этих способов в следующем.

Керосино-пневматический способ отличается от изложенного выше тем, что после смачивания со стороны керосина шов обдувают сжатым воздухом под давлением 0,3 - 0,4 МПа.

Керосино-вакуумный способ основан на использовании переносных вакуумных камер, устанавливаемых на контролируемое соединение со стороны меловой обмазки.

При керосино-вибрационном способе после нанесения керосина накладывают вибрацию на контролируемое соединение.

Добавка в воду люминофоров при гидравлических испытаниях и красителей в керосин для повышения контрастности при выявлении дефектов указывает на то, что гидравлические и керосиновые методы контроля становятся более эффективными, когда вместо чистых жидкостей используются пенетранты.

Магнитные и электромагнитные

методы КОНТРОЛЯ

Для всех магнитных и электромагнитных методов контроля характерно наличие системы, создающей поле магнитное или электромагнитное в части контролируемого изделия, реакции материала изделия на поле и устройств обнаружения этой реакции.

Магнитные поля существуют как вблизи постоянных магнитов, так и вблизи проводников с током. Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В, который направлен по касательной к магнитно-силовым линиям.

Вектор определяет плотность магнитного потока Ф через площадь S, расположенную перпендикулярно магнитным линиям

Ф = B * S,

где Ф измеряется в веберах (Вб), а В - в теслах (Тл).

Другой характеристикой магнитного поля является вектор напряженности Н, который определяет магнитное поле, создаваемое внешним по отношению к данному материалу источником. Н измеряется в А/м. Между В и Н существует зависимость

 

Методы, основанные на намагничивании контролируемого изделия и реакции дефектного места на магнитный поток, называются магнитными.

Способность материала сохранять магнитные свойства после прекращения воздействия на него магнитного потока характеризуется магнитной восприимчивостью, которая является частью множителя, называющегося магнитной проницаемостью среды. Существуют: абсолютная магнитная проницаемость материла μм, магнитная проницательность вакуума μό, и безразмерная относительная проницательность материала μ, которая и приводится в подавляющем количестве литературы. Все материалы в природе обладают магнитными свойствами, т.е. являются магнетиками и подразделяются на 2 категории - диамагнетики и парамагнетики.

К диамагнетикам относятся вещества, при помещении которых в магнитное поле, в них возникает магнитный момент против вызвавшего этот момент магнитного поля. Диамагнетики всегда отталкиваются от магнита и перемещаются в область пространства с меньшей напряженностью магнитного поля. Диамагнетизм - это универсальный магнитный эффект, присущий всем телам без исключения и характеризующийся отрицательной магнитной восприимчивостью. Типичными представителями диамагнетиков являются инертные газы, висмут, титан, цинк, серебро и т. д. Однако, во многих случаях диамагнетизм перекрывается другим более сильным ориентационным эффектом, приводящим к положительной магнитной восприимчивости - парамагнетизму, при котором магнитные моменты отдельных атомов разворачиваются вдоль направления поля. Парамагнетики притягиваются магнитом и перемещаются в пространство с наибольшей напряженностью магнитного поля. В основном, и диамагнетики, и парамагнетики являются слабыми магнетиками, т. к. относительная магнитная проницаемость диамагнетиков немного меньше единицы (это «немного» отличается от единицы тысячными долями), а у основной группы парамагнетиков на такие же величины больше единицы. Однако у парамагнетиков существует очень небольшая группа сильных магнетиков с увеличенной магнитной восприимчивостью, имеющей ее значения от тысяч до сотен тысяч - это ферромагнетики.

Ферромагнитные свойства материалов обусловлены наличием в структуре материалов электронных объемов размером примерно 10-8 – 10-5 см3, которые называются доменами. Результирующие магнитные поля доменов образуют молекулярные токи вращения электронов вокруг собственных осей. При отсутствии внешнего магнитного поля, магнитные поля доменов направлены произвольно и компенсируют друг друга, а их суммарное поле равно нулю. Если на материал действует внешнее магнитное поле, магнитный момент, создаваемый молекулярными токами, приобретает направленную ориентацию. В результате образуется общее магнитное поле доменов, и материал намагничивается. При этом магнитное поле материала накладывается на внешнее магнитное поле. После снятия внешнего магнитного поля материал остается намагниченным. К таким материалам относятся железо, никель, кобальт, гадолиний и некоторые сплавы металлов.

Поэтому все магнитные методы контроля могут производиться только на ферромагнетиках.

Магнитная дефектоскопия основана на том, что при намагничивании на поверхности контролируемого изделия в зоне дефекта возникает магнитное поле рассеяния (см. рис. 1). При этом, если изделие не насыщено, то магнитное поле рассеяния от дефекта увеличивает индукцию В в металле, а на поверхности изделия дополнительное поле практически не возникает.

Рис.1. Распределение магнитного потока

по сечению сварного шва:

а – качественного; б - дефектного

Только при намагничивании, близком к насыщению, магнитное поле рассеяния может хорошо проявляться на поверхности. Насыщение при намагничивании наступает после достижения магнитным полем в изделии предельной величины индукции (см. рис. 2). Размагничивание такого изделия будет происходить по левой ветке диаграммы, а последующее намагничивание - по правой. Величина Нс (см. рис. 2) называется коэрцитивной силой. Она является одной из характеристик магнитографических лент. Полный цикл перемагничивания вещества, выраженный на графике, называется петлей гистерезиса.

Рис. 2. Петля гистерезиса при перемагничивании образца

Эффект рассеяния магнитного поля на поверхности изделия вызван огибанием магнитно-силовыми линиями дефекта (шлаковое включение, непровар, трещина) (рис. 1) на их пути, т. к. магнитная проницаемость дефекта значительно ниже (в 1000 и более раз) магнитной проницаемости основного материала. Поэтому существенна не только величина дефекта, но и его пространственное положение. Так, плоский дефект, расположенный параллельно магнитно-силовому потоку, может быть вообще не выявлен, даже имея значительные размеры. В то же время, если этот дефект расположить под небольшим углом к направлению магнитно-силовых линий он начинает хорошо проявляться.

В зависимости от способа регистрации магнитного потока рассеяния магнитные методы контроля подразделяют на: магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый и магнитополупроводниковый. Для контроля сварных соединений применяются в основном магнитопорошковый и магнитографический методы.

Сущность магнитопорошкового метода состоит в том, что на поверхность намагниченной детали наносят ферромагнитный порошок в виде суспензии с керосином, маслом, мыльным раствором (мокрый метод) или в виде аэрозоля (сухой метод). Под действием магнитных полей рассеяния частицы порошка перемещаются по поверхности, и располагаются в виде четко очерченных линий. Очертания этих линий соответствуют очертаниям дефекта.

В качестве порошка используется железная окалина, измельченная до размера 1 - 10 мкм. Различают порошки: черный магнитный для деталей со светлой поверхностью и магнитно-люминесцентный «Люмагпор-1» для деталей с черной поверхностью.

Магнитопорошковым методом контролируют детали толщиной до 10 мм. Чувствительность метода позволяет выявить трещины с шириной раскрытия 0,001 мм и глубиной 0,01 мм и более. Перед проведением контроля поверхность тщательно зачищают от грязи, краски, жира.

Намагничивание детали при магнитопорошковом методе можно производить способом приложенного магнитного поля или способом остаточной намагниченности. При приложенном магнитном поле магнитный порошок (суспензию) наносят в момент действия намагничивающего поля. Способ приложенного магнитного поля применяют на магнитно-мягких материалах и в тех случаях, когда мощность дефектоскопа, осуществляющего намагничивание, не позволяет намагничивать всю деталь.

При контроле на остаточной намагниченности порошок (суспензию) на контролируемую поверхность наносят после выключения намагничивающего поля. Контроль на остаточной намагниченности возможен на материалах, обладающих достаточно большой остаточной намагниченностью (коэрцитивной силой Нс > 800 а/м). Основные моменты магнитопорошкового способа контроля изложены в ГОСТ 21105-75.

Сущность магнитографического метода заключается в намагничивании контролируемого участка с одновременной записью магнитного поля на пленку и последующем считывании полученной на пленке информации с помощью магнитографических дефектоскопов. Этим методом контролируются сварные детали толщиной 20 - 25 мм. Магнитографией наиболее уверенно выявляются плоскостные дефекты - трещины, непровары, несплавления, а так же протяженные дефекты в виде цепочек шлака. Уверенно обнаруживаются плоские дефекты, когда их вертикальный размер составляет 5 – 10 % толщины сварного шва. Округлые дефекты выявляются, когда их размер не менее 20 % толщины шва. При магнитографическом контроле для обнаружения внутренних дефектов намагничивание производят постоянным током, а для обнаружения поверхностных и подповерхностных - переменным током. Запись магнитных полей производится на ленте типа МК-1, МК-2 и др., которую перед наложением магнитного поля или в процессе его наложения прижимают к контролируемой поверхности.

По регистрации дефектов все способы относятся к двум основным: контролю способом магнитного отпечатка и контролю с записью.

По первому способу магнитную пленку прижимают к контролируемому изделию, а затем накладывают магнитное поле. По второму способу магнитная пленка перемещается над контролируемой поверхностью, находящейся в магнитном поле. Технология магнитографического контроля приводится в ГОСТ 25225-82. Для намагничивания при порошковой и магнитографической дефектоскопии применяются специальные намагничивающие устройства - дефектоскопы. Эти дефектоскопы осуществляют намагничивание следующими способами: продольным (полюсным), циркулярным и комбинированным. При полюсном намагничивании над контролируемым местом изделия устанавливается магнит или электромагнит, создающий или индуцирующий в изделии продольное поле (см. рис. 3а). Циркулярное намагничивание производится посредством пропускания постоянного или переменного тока через деталь, через провод, находящийся внутри детали или через промежуточную рамку (см. рис. 3б). Комбинированное намагничивание производится за счет сочетания первых двух (см. рис. Зв).

Рис. 3. Основные способы намагничивания

Методы, основанные на изменении реакции вихревых токов в зоне дефекта, при воздействии на изделие высокочастотных электромагнитных полей, называются вихретоковыми или методами вихревых токов. Этими методами можно контролировать только электропроводные материалы.

Физическая сущность электромагнитного метода заключается в возбуждении вихревых токов в изделии из электропроводного материала с помощью переменного, в основном высокочастотного, электромагнитного поля и измерении этих токов. Вихревые токи распространяются в поверхностном слое изделия на глубине 2 - 3 мм. При наличии дефекта увеличивается сопротивление поверхностного слоя, что приводит к ослаблению вихревых токов. Это ослабление поля вихревых токов в определенном месте регистрируется датчиком. Схема электромагнитного контроля представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема электромагнитного контроля

1 – полезадающая система

2 – контролируемое изделие

3 – сканирующий датчик

4, 5 – регистрирующие приборы

Электромагнитные методы контроля подразделяются в основном по полезадающим системам, которые могут быть проходными, если катушка с током охватывает деталь или вставляется в нее, и могут быть накладными, когда катушка с током устанавливается на деталь торцом (см. рис. 5).

 Рис.5.Полезадающие системы

В первом случае электромагнитная волна от полезадающей системы распространяется в направлении стенки контролируемого объекта, во втором - вдоль поверхности стенки. Измерительные датчики могут входить в состав полезадающих или выполняться отдельно от полезадающих. Накладные вихретоковые преобразователи (ВТП) выполняются с ферромагнитным сердечником и без него. Сердечник повышает чувствительность и уменьшает зону контроля. Проходные ВТП предназначены для контроля толщины и сплошности проволоки и труб. Накладные ВТП предназначены для контроля объектов с плоскими поверхностями сложной формы.

Проходные ВТП подразделяются на наружные и внутренние, в зависимости от того, где они располагаются в процессе контроля – снаружи или внутри объекта. Дефектоскопы с проходными преобразователями позволяют проверять в широком диапазоне типоразмеров протяженные объекты – трубы, прутки, проволоку с диаметром от 0,15 мм до 13,5 мм и мелкие детали – шарики и рамки подшипников, метизы и т. д. Производительность контроля для проволоки достигает 50 м/с, для мелких деталей – несколько тысяч в час. Производительность контроля труб, прутков редко превышает 3 м/с. Порог чувствительности дефектоскопа с проходными преобразователями определяется глубиной узкого продольного дефекта, выраженной в процентах от диаметра изделия. На разных изделиях достигается глубина порогового дефекта 1 – 2 % диаметра изделия. Марки дефектоскопов: ИПП-1М, ИДП-1, ВД-30П, ДКВ-2 и др.

Дефектоскопы с накладными преобразователями применяются для линейно-протяженных объектов круглого сечения (прутки, трубы), а также плоских деталей типа листов и изделий, имеющих малую кривизну поверхности. Для контроля мелких деталей разработаны специальные приборы отраслевого назначения. На предприятиях также широко применяются дефектоскопы, предназначенные для контроля термической обработки и сортировки материалов по маркам – так называемые вихретоковые структуроскопы. Марки применяемых дефектоскопов с накладными преобразователями ВД-40Н, ДММ, СК-31, МДР-1.

Марки вихретоковых структуроскопов ВС-10П, ЭМИД-4МК и др.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Ультразвуковыми колебаниями называются механические колебания упругой среды, частота которых лежит за порогом слышимости уха, т. е. свыше 20000 Гц. Для ультразвукового контроля используется диапазон частот от 0,5 до 10 МГц.

Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым. Упругие волны характеризуются скоростью распространения С, длиной волны  и частотой f

Под длиной волны  понимается расстояние между частицами, которые в процессе колебания находятся в одинаковой фазе. Под частотой понимается количество волн, проходящих через данную точку пространства в единицу времени. В зависимости от направления колебания частиц волны бывают продольными и поперечными. В продольной волне направление скорости колебания соосно с распространением волны, а в поперечной волне направление скорости колебания – перпендикулярно распространению волны. Поперечные волны называются волнами сдвига и могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвига, т. е. в твердой среде (в жидкой и газообразной поперечных волн не существует).

Вдоль свободной поверхности твердого тела может распространяться волна, комбинированная из продольных и поперечных - поверхностная волна. Глубина распространения этих волн примерно равна длине волны. Скорость распространения в различных средах ультразвуковых продольных, поперечных и поверхностных волн приведена в таблице1.

Скорости волн поперечных Ct и поверхностных Сn меньше, чем продольных Cl, и составляют Сt  0,55 Сl, а Сn = 0,9 Ct. Процесс прохождения ультразвуковых зондирующих импульсов в среде развивается следующим образом. Вблизи от излучателя, выполненного в виде круглого диска диаметром 2а, на участке, называемом ближней зоной, ультразвуковой пучок имеет форму цилиндра с диаметром равным 2а и длиной, равной rб = а2/λ.

Таблица 1

Среда распространения

Скорость распространения волн, м/с

продольных

поперечных

поверхностных

Сl

Сt

Сn

Воздух

335

-

-

Масло трансформаторов

1400

-

-

Стекло органическое

2670

1300

1050

Вода

1490

-

-

Сталь

5860

3230

3000

Титан

6000

3500

2790

Алюминий

6205

3080

2800

В дальней зоне начинается постепенное расхождение ультразвуковой волны, и пучок приобретает форму усеченного конуса. Максимальная интенсивность излучения сосредоточена по оси пучка. Диаграмма направленности ультразвукового поля имеет следующий вид (см. рис. 1.)

Рис. 1. Диаграмма направленности ультразвукового поля

Диаграмма тем острее, чем больше а2 * f. При удалении ультразвуковых волн от источника, интенсивность их излучения падает из-за распределения по конусу и затухания. По оси затухание колебаний происходит по уравнению

А = А0 * е-r,

где А0 - амплитуда зондирующего импульса,

 - коэффициент затухания,

е - основание натуральных логарифмов.

Коэффициент затухания складывается из коэффициента поглощения п и рассеяния р, т. е.  = п + р.

Звуковая энергия при поглощении превращается в тепловую из-за эффектов внутреннего трения, не идеальных свойств среды. В чистых жидкостях и газах коэффициент затухания целиком определяется коэффициентом поглощения п. При прохождении по твердым телам звуковая энергия не только поглощается, но и рассеивается, т. е. уходит в стороны от направления распространения волны, что и характеризуется величиной р. Коэффициент затухания в металлах зависит от соотношения величины зерна D и длины волны . Если  > 10D, затухание мало, если   D, то затухание велико и контроль невозможен.

По этой причине трудно или невозможно контролировать швы литых деталей, электрошлаковой сварки, аустенитные швы.

Важной характеристикой среды является ее удельное акустическое сопротивление Z =  * С, где  - плотность среды, а С = С1 или Сt или Сn. Часто величину Z называют импедансом. При прохождении ультразвука из одной среды в другую происходит отражение части энергии волны от границы раздела сред. Коэффициенты отражения R и прохождения К ультразвука зависят от разницы акустических сопротивлений контактирующих сред Z1 и Z2. Чем больше эта разница, тем больше коэффициент отражения ультразвука R. В процессе контроля полного прилегания преобразователя к поверхности изделия быть не может, а через воздушную прослойку ультразвук в металл не пойдет. Для увеличения коэффициента прохождения ультразвука К на поверхность контролируемого изделия наносят контактные жидкости: вода, масло, глицерин, импеданс которых ниже акустического сопротивления твердых тел, но многократно превосходит удельное акустическое сопротивление воздуха.

Когда размеры площадки раздела двух сред (например, дефекта) меньше поперечных размеров пучка и соизмеримы с длиной волны , возникает дифракция (явление огибания волной препятствия), в результате чего доля энергии, отраженной дефектом, уменьшается. Поэтому плохо выявляются круглые дефекты небольших размеров - поры.

При наклонном прохождении продольной волны ультразвука из одной твердой среды I в другую твердую П, на границе раздела происходит отражение, преломление и трансформация (расщепление) волны (см. рис. 2).

В общем случае возникает четыре волны: две преломленные (продольная С'l и поперечная С’t) и две отраженные (продольная Сl и поперечная Сt). Углы отражения и преломления волн, отсчитываемые от нормали к поверхности раздела, связаны с углом падения (отсчитываемым от той же нормали) выражением Снеллиуса

где С- скорости волн в первой среде,

β - углы отражения волн в первой среде,

α - углы преломления волн во второй среде,

С’l и С’t - преломленные скорости продольной и поперечной

волн во второй среде.

Рис. 2. Отражение и преломление продольной волны

на границе раздела двух фаз

Углы, отсчитываемые от нормали к поверхности раздела двух сред, при которых исчезают те или иные типы ультразвуковых волн, в процессе преломления или отражения, называются критическими. Величины этих углов зависят от физических свойств обеих сред. Так, для системы органическое стекло - сталь угол наклона ввода ультразвуковых колебаний, равный 27°, является первым критическим, т. к. при этом угле исчезает продольная преломленная волна, а угол 56° - является вторым критическим, т. к. исчезает и поперечная. Поэтому, если излучатель на призме из оргстекла разместить в диапазоне углов 30 - 55°, то в стальном изделии будет распространяться только одна поперечная волна, что существенно упрощает дешифровку результатов контроля, т. к. значительно сокращает количество ложных отраженных шумов.

Индуцировать в металл ультразвуковые колебания можно четырьмя способами. При подаче на пьезопластину электрического напряжения, она изменяет свою толщину вследствие так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт с этими изменениями, создавая в окружающей среде упругие колебания. Пластина при этом работает как излучатель. Если пьезоэлектрическая пластина воспринимает импульс давления, то на ее обкладках вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются электрические заряды. Для приложения и съема электрического поля на противоположных поверхностях пьезопластин нанесены серебряные обкладки, выполняющие функции электродов, подводящих электроэнергию к пьезопластинам, чтобы они могли генерировать ультразвуковые колебания и являться излучателями ультразвука или при воздействии на пластину ультразвуковых колебаний генерировать электрические заряды и являться приемником ультразвука. Этот метод нашел широкое применение во всех отраслях промышленности.

Электромагнитоакустический способ возбуждения и регистрации ультразвуковой сдвиговой (поперечной) волны осуществляется следующим образом. При приложении к металлу катушек с переменным высокочастотным током в его поверхностном слое будут наводиться вихревые токи. Если на эти токи наложить переменное или постоянное магнитное поле, то частицы металла, находящиеся в поверхностном слое, будут совершать колебательные движения в плоскости, параллельной этому слою, порождая поперечную волну ультразвука Сt, распространяющуюся перпендикулярно к этой плоскости. Отражаясь от дефекта или достигая противоположной стороны металла, ультразвуковая волна вызывает колебательное движение частиц среды в магнитном поле, приводящее к появлению вихревых токов, воспринимаемых такой же высокочастотной катушкой. К достоинствам метода следует отнести стабильность амплитуды при наличии неровной поверхности, загрязнения поверхности окалиной, краской, а также возможности контроля при высоких температурах (до 1300 С0). К недостаткам следует отнести громоздкость преобразователей и резкое уменьшение чувствительности с увеличением зазора между поверхностью изделия и преобразователем. Так, с увеличением зазора от 0,1 до 0,2 мм чувствительность падает в 3 раза. Способ нашел ограниченное применение при контроле рельсов и труб.

Существуют еще два перспективных способа возбуждения ультразвуковых колебаний: лазерное и радиационное, основанные на возникновение акустических волн при изменении термомеханических напряжений.

Перспективность этих методов состоит в том, что их применение позволит на 2 - 4 порядка поднять уровень рабочей частоты УЗ контроля. Это позволит уменьшить толщины контроля и сократить величины мертвой зоны.

Все приборы с пьезопреобразователями делят на три основные типа.

  1.  Прямые, излучающие в изделии продольную волну, перпендикулярную контактной поверхности.
  2.  Наклонные, которые вводят в металл поперечную волну под углом к поверхности раздела преобразователя и металла.
  3.  Раздельно - совмещенные, обеспечивающие ввод в металл продольной волны под углом 5 - 10° к плоскости, перпендикулярной к поверхности раздела ввода.

Конструкций пьезопреобразователей, в которых реализуется в той или иной степени один из перечисленных типов, существует достаточно много и поэтому останавливаться на них нецелесообразно.

Основным элементом приборов с преобразователями является пьезоэлемент в виде диска или прямоугольной пластины, толщиной равной половине длины волны излучаемых ультразвуковых колебаний. С рабочей стороны прямых преобразователей на пьезопластине имеется защитное донышко, предохраняющее пьезопластину от механических повреждений. С противоположной стороны к пьезопластине прикреплен демпфер, поглощающий ультразвук и уменьшающий длительность колебания пьезопластины. Как правило, прямой преобразователь размещен в стальном корпусе.

В наклонных и раздельно-совмещенных преобразователях пьезопластины приклеиваются к призмам оргстекла, полистирола, капролона и других материалов. Ультразвук в этих материалах распространяется с небольшой скоростью, что позволяет при относительно малых углах падения его в преобразователе вводить поперечные волны в контролируемый металл под большими углами. Прямые и наклонные преобразователи работают по раздельным и совмещенным схемам. В раздельной схеме каждый преобразователь выполняет одну функцию - излучателя или приемника, в совмещенной - обе функции.

В раздельно-совмещенных преобразователях одна пьезопластина подключена к генератору электрических колебаний и служит излучателем УЗК, другая к приемнику. Между ними помещен акустический экран.

В целом методы акустического контроля подразделяются на две группы: методы, при которых в контролируемое изделие излучаются волны упругих колебаний от внешних источников, и по характеру их прохождения через изделие судят о его качестве; и методы, предусматривающие возбуждение упругих колебаний во всем изделии (по всей толщине), по крайней мере, под излучателем. Методы первой группы называются активными, второй – пассивными.

Методы ультразвукового контроля относятся к первой группе и основаны на свойстве ультразвуковых волн направленно распространяться в средах и отражаться от границ сред или нарушений сплошности (дефектов), обладающих другим акустическим сопротивлением.

При контроле сварных швов применяют следующие основные методы ультразвукового контроля:

  1.  эхо-импульсный,
  2.  теневой,
  3.  зеркально-теневой,
  4.  эхо-зеркальный,
  5.  дельта-метод.

Основная задача этих методов обнаружить дефект, измерить и оценить степень его допустимости.

При падении УЗ волны на дефект возникает акустическое поле рассеяния, содержащее целый спектр волн различного типа, рассеянных по закону геометрической акустики теории дифракции, которое принято называть индикатрисой рассеяния дефекта. Индикатриса рассеяния отражателя правильной геометрической формы с гладкой поверхностью называется индикатрисой «детерминированного отражателя».

Все уравнения акустического тракта, настройка чувствительности дефектоскопа производится с использованием детерминированных отражателей, т. к. характеристики отраженного поля его легко предсказуемы, воспроизводимы и стандартизированы. Однако индикатриса детерминированного отражателя является грубой моделью индикатрисы реального дефекта по устойчивым информативным признакам, хотя по ней и производится установление размеров и морфологического типа дефектов, а так же нахождение близкой детерминированной акустической модели.

В зависимости от вида обрабатываемой первичной информации методы ультразвуковой дефектометрии подразделяются на две основные группы - амплитудные и временные. В амплитудных способах оценка величины дефекта производится по амплитуде отраженного от него (в случае эхо-импульсного метода) или прошедшего через него (теневой, зеркально-теневой метод) сигнала. Амплитудные способы не позволяют в полной степени учесть конфигурацию дефекта и поэтому дают усредненную информацию, выражаемую через так называемые условные размеры.

Временные способы позволяют судить об истинных размерах дефекта, определив временную задержку, связанную с рассеянием волн на краях дефекта. Однако, недостатком их является применение двух ПЭП, размещенных в одной плоскости и наличие специальной аппаратуры, обеспечивающей измерение временных интервалов.

Существующая нормативная документация (сертификаты качества СК, правила контроля ПК и т. д.) регламентирует оценивать качество сварных соединений по совокупности следующих признаков: координат по сечению и длине шва, истинных или условных размеров дефектов, числа дефектов на единицу длины шва, расстояния между ними и типу дефекта.

Местонахождение дефекта в сварном шве определяют три координаты - глубина залегания дефекта h, отсчитываемая по нормали к поверхности; расстояние от центра излучения преобразователя до дефекта вдоль поверхности изделия х и расстояние от дефекта до фиксированной точки на шве L (см. рис. 3).

 

Рис. 3. Определение координат дефекта наклонным

ПЭП в изделии с плоской поверхностью

Глубиномерное устройство дефектоскопа измеряет временной интервал между зондирующим импульсом и эхо-сигналом от дефекта Т, так как скорость ультразвуковых колебаний известна и углы ввода определены, то по Т можно определить h и х. Для наклонных ПЭП эти расстояния в соответствии с рисунком 3 будут равны

 

 

В современных дефектоскопах глубиномеры легко определяют координаты отражателей. Амплитудные методы измерения основаны на сравнении эхо-сигнала от дефекта, с каким либо опорным сигналом, полученным тем же ПЭП от детерминированного отражателя, т. е. отражателя известной величины и геометрической формы. Подобный метод измерений весьма удобен, т. к. прост и не требует определения целого ряда величин: коэффициента преобразования электрической энергии в механическую энергию, зондирующего импульса, согласования пьезоэлемента с усилителем и т. д.

Для унификации процесса измерений в качестве опорного сигнала принята площадь дна плоского отверстия, которое (дно) располагается на той же глубине, что и дефект и дает эхо-сигнал такой же амплитуды. Эта площадь плоского дна детерминированного отражателя называется эквивалентной площадью, а диаметр ее - эквивалентным диаметром. При измерении эквивалентного размера дефекта наклонным преобразователем (с совмещенной схемой) ось плоского отражателя должна быть соосна оси пучка. При применении PC ПЭП ось отверстия нормальна поверхности. Существует и другой метод определения эквивалентного размера дефекта по амплитуде отраженного сигнала - метод с использованием АРД диаграммы. Этот метод не требует применения большого количества специальных образцов, но требует построения для дефектоскопа и преобразователя АРД - диаграммы. Браковка дефекта осуществляется по эквивалентной площади. Однако, истинных размеров дефекта и его морфологического типа установить данным методом невозможно. 

Наряду с амплитудным, широкое распространение получил способ оценки величины дефектов по их условным размерам в проекции на поверхность изделия. Сущность способа состоит в следующем. После обнаружения посредством эхо-сигнала дефекта в зоне его геометрической проекции на поверхность изделия отраженным сигналом производится сканирование (т. е. перемещение по поверхности изделия) ПЭП по направлениям вдоль и поперек шва. В процессе сканирования определяют положения ПЭП, в которых при уровне чувствительности фиксирования дефекта, эхо-сигнал от дефекта в определенных местах зоны сканирования исчезает с экрана (см. рис. 4). Расстояние между точками, за пределами которых сигнал пропадает, называется условным размером дефектов. Полуширина диаграммы направленности l определяется относительным уровнем чувствительности.

где Аэт и Ац - амплитуды отраженных сигналов, измеренные

боковым (эталонным) и центральным лучами

диаграммы направленности. 

Рис. 4. Измерение условной протяженности дефектов: а –

прямым, б - наклонным преобразователями, в - условной высоты

В связи с тем, что дефект фиксируется до тех пор, пока от него отражаются сигналы диаграммы направленности, в том числе и боковыми лучами, центр ПЭП, соответствующий положению Ац на краю дефекта успевает сместиться на величину l от истинных размеров дефекта (см. рис. 4). Поэтому условные размеры дефекта на поверхности изделия всегда больше истинных размеров.

Измерение условных размеров может производиться двумя способами: относительным и абсолютным. При относительном способе крайними считаются положения преобразователя, в которых для данного дефекта N = Const. Этот способ не позволяет судить о размерах маленьких дефектов b < а.

На практике такие дефекты называют точечными или компактными. При b > а этот способ дает хорошие результаты, т. к. l линейно связаны с размером дефекта.

Абсолютный способ измерения условных размеров производится на постоянном уровне чувствительности Аэт = Const, который устанавливается эталонированием. В этом случае увеличение b и N сопровождается увеличением L. Условная протяженность дефекта и его условная высота по сечению шва определяются абсолютным методом.

С увеличением размеров дефекта замедляется возрастание l по сравнению с расчетным размером. Определение условной длины дефекта L производится сканированием, параллельным направлению шва. Измерение условной ширины х и высоты Н производится сканированием по направлению, перпендикулярному к направлению шва. На возможность определения х и Н существенное влияние оказывает пространственное расположение шва. Дефекты, расположенные в плоскости листа характеризуются малой Н и значительной х, в перпендикулярной плоскости - наоборот.

Аппаратура ультразвукового контроля состоит из электронного блока (собственно дефектоскопа), набора пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) и различных устройств для проверки и настройки приборов, определения места расположения отражающих поверхностей и вспомогательных приспособлений.

Электронный блок предназначен для генерирования импульсов ультразвуковых колебаний, приема отраженных сигналов, преобразования этих сигналов к виду, удобному для наблюдения их на экране электронно-лучевой трубки, измерения координат дефектов, сравнения амплитуд сигналов и т. п.

Дефектоскопы делятся на: аналоговые и процессорные. Процессорные отличаются от аналоговых дефектоскопов тем, что в их состав входят компьютеры для управления и цифровой обработки информации, содержащейся в сигнале.

Основные узлы ультразвукового дефектоскопа представлены на рис. 5. По схеме в его состав входят: 1 - генератор зондирующих импульсов (ГЗИ), 2 - генератор синхронных импульсов (ГСИ), 3 - предусилитель отраженных сигналов, измеритель амплитуды сигналов, детектор и видеоусилитель, 4 - автоматический сигнализатор дефектов, 5 - глубиномер, 6 - генератор стробирующих импульсов и напряжения развертки (ГНР), 7 - электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), 8 - блок питания.

 

Рис. 5. Функциональная схема ультразвукового дефектоскопа

Согласно схеме, дефектоскоп работает следующим образом. Генератор синхронных импульсов (ГСИ) вырабатывает последовательность импульсов, которые синхронно запускают генератор зондирующих импульсов (ГЗИ), глубиномер и генератор напряжения развертки (ГНР). ГСИ вырабатывает импульсы отрицательной полярности амплитудой до 400 В и частотой следования в пределах от 200 до 1000 Гц. (Частота посылок зондирующих импульсов генератором ГЗИ, насыщающих синхронный импульс, определяется задачами контроля). При малой частоте посылок синхронных импульсов генератором ГСИ ограничивается скорость контроля и надежность обнаружения дефектов. При большой частоте посылок возрастает надежность обнаружения дефектов, яркость экрана ЭЛТ и одновременно возникает опасность появления на экране многократно отразившихся от стенок объекта контроля сигналов предыдущих импульсов. Поэтому при контроле сварных швов рекомендуемая частота посылок зондирующих импульсов 600 - 800 Гц. ГЗИ предназначен для получения короткого импульса высокочастотных электрических колебаний, которые используются для возбуждения пьезоэлектрических преобразователей. Частота высокочастотных колебаний, заполняющих синхронный импульс, является основной характеристикой дефектоскопа. Она выбирается в зависимости от величины затухания ультразвука в контролируемом материале и его толщины в диапазоне частот от 0,8 до 6 МГц. Синхронный импульс после насыщения его частотой зондирующих колебаний называют зондирующим импульсом. В таком виде зондирующие импульсы излучаются ПЭПом и поступают в контролируемую среду. Отраженные от дефектов импульсы упругих колебаний попадают на пьезопластину, и за счет прямого пьезоэффекта преобразуются в электрические сигналы. В блоке 3 сигнал проходит через предусилитель, измеритель амплитуды сигналов, усилитель высокой частоты, детектор и видеоусилитель.

Усилители высокой частоты бывают двух типов - узкополосные и широкополосные. Узкополосные обладают высокой помехоустойчивостью, большим коэффициентом усиления и просты в изготовлении, однако, при необходимости работы в широком диапазоне узкополосные усилители увеличивают габариты дефектоскопа.

Широкополосные усилители имеют коэффициент усиления на порядок меньше, помехоустойчивость их ниже, но зато и габариты меньше.

С видеоусилителя сигналы поступают на экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и в схему автоматической сигнализации дефектов, предназначенную для фиксации с помощью звукового или светового индикатора сигналов.

Для выравнивания чувствительности по глубине в усилительном тракте предусмотрена схема временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Эта схема запирает усилитель высокой частоты непосредственно после излучения зондирующего импульса и изменяет коэффициент усиления во времени.

ГНР служит для формирования пилообразного напряжения, необходимого для получения линии развертки на экране ЭЛТ, а так же импульса подсвета для увеличения яркости изображения во время прямого хода луча.

Глубиномерное устройство служит для определения координат дефекта и толщины изделия. Это производится путем измерения интервала времени между моментами излучения зондирующего импульса и приходом отраженного сигнала. Для выполнения этой функции глубиномер содержит калиброванную схему временной задержки синхронизирующего импульса.

В момент окончания задержки глубиномер вырабатывает импульс, который запускает генератор зондирующего импульса, производящий временную селекцию сигнала, отраженного от дефекта.

Дефектоскопы общего назначения обычно снабжены системой питания от сети и автономной от аккумуляторной батареи.

В дефектоскопах имеется выход с видеоусилителя для аналоговой регистрации результатов контроля на самописце и его схемы АСД для использования в автоматических устройствах с альтернативной (больше - меньше) оценкой качества.

Метрологическое обеспечение ультразвуковой дефектоскопии производится комплектами эталонов и тест-образцов для проверки и настройки приборов и шаблонами для определения места расположения отражающих поверхностей.

Комплекты специальных образцов СО1, СО2, СО3 для построения диаграммы направленности ультразвукового пучка и угла ввода его в изделие рекомендованы ГОСТ 23702-90. ГОСТ 14782-86 рекомендует эталоны образцов для определения условной чувствительности разрешающей способности, точности глубиномера, угла ввода в изделие ультразвукового пучка и центра излучения углового искателя.

Совокупность характеристик, определяющих точность измерения и воспроизводимость результатов, называют основными параметрами контроля.

Основными рабочими параметрами ультразвукового контроля является длина волны УЗ колебания зондирующего импульса, угол ввода УЗ луча в изделие, мертвая зона hм, погрешность измерения координат %, шаг сканирования, чувствительность и разрешающая способность. Длина УЗ волны  в контролируемой среде определяется скоростью распространения УЗ и частотой электрических колебаний зондирующего импульса f, поступающих на пьезоэлемент. Частоту выбирают в зависимости от коэффициента затухания ультразвука в материале и его толщины. При малых толщинах - до 10 мм – f = 4 - 6 МГц; при толщине 10 - 100 мм f = 2 - 2,5 МГц; при толщинах 100 - 250 мм f = 1,25 - 1,8 МГц; при толщинах 250 – 1000 мм f = 0,8 - 1,25 МГц. Угол ввода  зависит от типа и размеров ПЭП. Мертвая зона hм у наклонных ПЭП, работающих на частотах от 1,8 до 5 МГц, колеблется в пределах от 1 мм до 10 мм. Величина мертвой зоны

,

где n0 – стрела преобразователя, т. е. расстояние от точки выхода

УЗ луча из ПЭП до линии передней кромки контактной

поверхности ПЭП с изделием,

В – ширина усиления контролируемого шва,

 - угол ввода УЗ луча в изделие.

Погрешность измерения координат определяется погрешностью работы глубиномера принятым способом определения координат.

Чувствительность дефектоскопа при УЗК определяется в общем случае как возможность при контроле выявлять дефекты наименьшего размера и является важнейшим параметром, определяющим достоверность и воспроизводимость результатов контроля. При этом настройка чувствительности производится не на произвольном уровне, что может быть причиной регистрации неопасных дефектов или пропуском опасных, а регламентируется по опорному акустическому сигналу, полученному от какого либо стандартного отражателя определенных геометрических размеров.

Различают несколько видов чувствительности: реальную, абсолютную, предельную, браковочную, поисковую и условную.

Реальной называется чувствительность, посредством которой определяются реальные дефекты минимальных размеров в сварных соединениях данного вида при выбранной настройке дефектоскопа. Численное выражение реальной чувствительности устанавливается на основании статистического анализа дефектов, проконтролированных УЗК и проверенных посредством разрушения сварного соединения. Это выражение соответствует отношению количеств дефектов, зафиксированных УЗК и поступивших на вскрытие.

Абсолютная чувствительность характеризует возможности акустического и электрического трактов дефектоскопа устойчиво выявлять акустические сигналы минимальной величины. Она определяется отношением амплитуды минимального сигнала -Pmin, который регистрируется дефектоскопом к амплитуде зондирующего импульса P0, т. е. -Pmin/P0 и выражается в отрицательных децибелах. Современные дефектоскопы имеют абсолютную чувствительность в пределах от 80 до 110 дБ. Эта характеристика необходима для оценки потенциальных возможностей дефектоскопа с данным преобразователем, метрологического сравнения дефектоскопов различного типа между собой.

Предельная чувствительность определяется наименьшей эквивалентной площадью детерминированного отражателя (плоскодонного отверстия), соосного с акустической осью ПЭП, которая уверенно выявляется в испытательном образце на данной глубине. Часто этот уровень чувствительности называют контрольной чувствительностью, а плоскодонное отверстие, по которому настраивается уровень - контрольным отражателем. Предельная чувствительность является основным параметром контроля и обычно регламентируется соответствующими нормативными документами.

Браковочная чувствительность характеризуется максимальной величиной эквивалентной площади детерминированного отражателя (плоскодонного отверстия), предельно допустимого по действующим техническим условиям для данного изделия. Обычно уровень ее несколько ниже, чем уровень предельной чувствительности (в 1,5 - 2 раза).

Поисковая чувствительность характеризует уровень усиления дефектоскопа при поиске дефектов. Необходимость ее введения обусловлена тем, что предельная чувствительность дефектоскопа в процессе сканирования значительно ниже, чем при неподвижном положении преобразователя. Величина поисковой чувствительности не должна строго регламентироваться в методиках и инструкциях. Обычно величина поисковой чувствительности на 5 – 8 дБ превышает уровень предельной чувствительности.

Условная чувствительность применяется в отдельных случаях, например, при арбитражном контроле, когда предельную или браковочную чувствительность необходимо перевести в условную. Для этой цели в ГОСТ 14782-86 предусмотрен стандартный образец № 1 из оргстекла, позволяющий сделать этот перевод. Мерой условной чувствительности является глубина отверстия, эхо-сигнал от которого эквивалентен по предельной или браковочной чувствительности.

Разрешающая способность определяется минимальным расстоянием между двумя одинаковыми дефектами, при котором они фиксируются раздельно. Различают лучевую и фронтальную разрешающую способность.

Лучевая разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя отражающими поверхностями в направлении прозвучивания, при котором они регистрируются раздельно. Фронтальная разрешающая способность - минимальное расстояние между двумя одинаковыми дефектами или детерминированными отражателями, залегающими на одинаковой глубине от поверхности ввода луча. В дальней зоне диаграммы направленности фронтальная разрешающая способность прямых и наклонных преобразователей приближенно может определяться выражением

Lp = 0,7 * r * /a,

где Lp – минимальное расстояние между дефектами в мм,

r – расстояние вдоль луча от места ввода до дефекта в мм,

 - длина волны,

а – радиус пьезоэлемента в мм.

Основными компонентами технологии УЗ контроля являются: анализ дефектности и оценка дефектоскопичности сварной конструкции, выбор метода и аппаратуры для контроля сварного соединения, регламентация основных параметров контроля, организация и последовательность проведения операций контроля, алгоритм оценки качества по результатам контроля.

Все операции по УЗ контролю можно разбить на 5 этапов.

  1.   Изучение объекта контроля и подготовка его к работе.
  2.   Определение или выбор основных параметров контроля и схемы прозвучивания.
  3.   Проверка исправности аппаратуры и подготовка ее к работе.
  4.   Проведение контроля, измерение параметров и величин дефектов и оценка качества шва.
  5.   Документальное оформление результатов контроля.

При изучении объекта контроля необходимо познакомиться с конструкцией соединения и технологией сварки, а так же документами, отражающими моменты отступления от чертежей. Если швы имеют отклонения, наружные дефекты, не оговоренные в чертежах, и если указанные дефекты не позволяют произвести достоверный контроль, их необходимо исправить или отменить контроль до устранения мешающих причин. Если изделие после сварки подвергается термообработке, то окончательный контроль производится только после термообработки, а до термообработки можно производить только факультативный контроль. Подготовка изделия к УЗ контролю должна включаться в технологический процесс изготовления изделия, в том числе и зачистка поверхности. В соответствии с ГОСТ 2789-73 качество обработки поверхности для проведения контроля УЗ должно быть не ниже 4 класса. Ширина подготовленной под контроль зоны с каждой стороны шва должна быть не менее Htg + A + B при контроле совмещенным ПЭП, и 2Htg + A + B при контроле однажды отраженным лучом и по схеме «тандем» (Н - толщина сварного соединения, А - длина ПЭП, В - ширина околошовной зоны,  - угол ввода ультразвука в металл). Для оценки качества подготовленной поверхности ЦНИИТМАШ предлагает датчик типа ДШВ.

Непосредственно перед контролем подготовленную поверхность тщательно протирают ветошью и покрывают слоем контактной смазки. Основным рабочим документом, на основании которого непосредственно производится контроль УЗД, является технологическая карта. Технологическая карта контроля составляется инженерно-техническим персоналом на основе априорных статистических данных по дефектности или выполненных исследований, требований ГОСТ 14782-86 и отраслевой нормативной документации. Карта контроля содержит всю необходимую информацию для оператора.

Перед тем как приступить к контролю оператор должен проверить работоспособность дефектоскопа, выбрать нужный ПЭП и уточнить его параметры. Выбор ПЭП можно производить по программе, представленной на рис. 6 в зависимости от толщины детали, ширины усиления и т. д.

 

Рис. 6. Номограмма для выбора параметров ПЭП в

зависимости от конструкции и типоразмера соединений:

1 -  = 53% f = 5 МГц п = 5 мм;

2 -  = 50% f = 2,5 МГц п = 10 мм;

3 -  = 50% f = 2,5 МГц п = 23 мм;

4 -  = 40% f = 2,5 МГц п = 14 мм;

5 -  = 40% f = 1,8 МГц п = 24 мм;

6 -  = 30% f = 2,5 МГц п = 14 мм;

7 -  = 30% f = 1,8 МГц n = 24 мм.

Проверка полностью собранного аппарата (дефектоскоп + ПЭП) выполняется на специальных образцах № 1 - 3 в соответствии с ГОСТ 14782-86 и требованиями действующих на предприятии правил по метрологической аттестации и проверке.

Поиск дефектов производится путем продольно-поперечного или поперечно-продольного сканирования (перемещения) ПЭП по всей контролируемой зоне сначала с одной, а затем с другой стороны шва поверхности. В соединениях толщиной более 60 – 80 мм необходимо контролировать две поверхности, если они доступны. Шаг сканирования ПЭП должен быть не более половины диаметра пьезоэлемента. В процессе сканирования наклонный ПЭП необходимо непрерывно поворачивать вокруг его вертикальной оси на ± 15°, чтобы обнаружить различно ориентированные дефекты. Для компенсации флуктуации акустического контакта чувствительность дефектоскопа в режиме поиска должна увеличиваться по отношению к контрольной чувствительности. Чтобы уменьшить вероятность пропуска дефектов, целесообразно работать при включенном звуковом индикаторе схемы АСД. PC преобразователи рекомендуется проворачивать вокруг оси, т.к. они характеризуются несимметричностью ультразвукового пучка. Когда в процессе прозвучивания появляется эхо-сигнал на рабочем участке развертки, то чувствительность снижается до уровня предельной чувствительности, установленной при эталонировании, а в случае превышения эхо-сигналом этого уровня измеряются характеристики несплошности, тип отражателя и т. д.

Прозвучивание обычно производят прямым и однократно отраженным лучом, многократно отраженным лучом, производят контроль по слоям, эхо-зеркальным методом (тандем), зеркально-теневым и теневым способами, а также дельта-методом.

Основной объем контроля осуществляется прямым лучом. Способ наиболее помехоустойчив. Однако страдает наличием «мертвой зоны» Нм из-за того, что преобразователь упирается в валик усиления шва. Поэтому при контроле необходимо выбирать такие параметры (угол ввода а и стрелу преобразователя п0), чтобы Нм была минимальна.

Для контроля однократно отраженным лучом ширину зоны зачистки около шва необходимо делать в 2 раза больше. Недостатком способа является зависимость чувствительности от состояния поверхности.

Контроль многократно отраженным лучом сопровождается большим числом ложных сигналов. Поэтому этот способ применяют в тех случаях, когда к контролируемому шву нет доступа.

Контроль по слоям обладает наибольшей достоверностью. Он состоит в том, что контроль производят любым из перечисленных способов, но эхо-сигналы фиксируют только на определенном рабочем участке развертки, выделенном путем стробирования. Способ помехоустойчив, позволяет уменьшить ошибки в оценке дефектов, но обладает наименьшей производительностью и поэтому применяется для контроля швов толщиной 50 – 60 мм и более.

Эхо-зеркальный метод (тандем) в наиболее распространенном варианте заключается в одновременном прозвучивании шва двумя ПЭП, расположенными с одной стороны шва и синхронно перемещающимися в разные стороны относительно оси симметрии.

Последнее время эффективно используется эхо-зеркальный метод с трансформацией поперечных волн на дефекте и регистрацией переотраженной от дна продольной волны. Это позволяет уменьшить ширину зоны сканирования.

Зеркально-теневой и теневой способы могут быть рекомендованы только для выявления относительно грубых дефектов. Прозвучивание выполняется двумя ПЭП, включенными по раздельной схеме и размещенными с обеих сторон шва навстречу друг другу.

Дельта-метод основан на регистрации волн, дифрагированных или трансформированных на краях дефекта. При облучении дефекта поперечной волной на его краях возникают дифрагированные продольные и поперечные волны, которые распространяются вверх и вниз.

Для контроля стыковых сварных соединений листовых конструкций оптимальные параметры наклонных ПЭП могут быть определены по графикам рис. 6, а корректировка уровня чувствительности при многократном отражении ультразвука от поверхности листа по АРД диаграмме на рис 7.

 

Рис. 7. Зависимость условного размера l отражателя от уровня чувствительности

N = Ац/Аэт.

Для контроля сварных швов малой толщины 3,5 – 15 мм наиболее эффективно применение двух ПЭП с разных сторон шва, включенных по PC схеме с малыми стрелами, большими углами в призме  = 53 - 55° и рабочей частотой 4 - 5 МГц. Двусторонние швы толщиной 3,5 – 15 мм с гладкими и пологими валиками лучше контролировать многократно отраженным УЗ лучом. Односторонние швы толщиной 16 – 40 мм контролируют одним ПЭП прямым или однократно отраженным лучом.

Швы толщиной 41 – 120 мм обычно контролируются двумя наклонными ПЭП: корневая часть  = 40°, верхняя -  = 50° на частотах 1,8 - 2,5 МГц только прямым лучом. При контроле корневой части наиболее эффективно применение эхо-зеркального или дельта-метода.

При контроле тавровых и угловых соединений с полным проваром стыкуемых деталей возможно применение трех схем. Наиболее эффективной является схема ввода УЗ луча по I схеме (см. рис. 8) через верх горизонтального листа. Контроль начинают с поиска непровара в корне шва прямым или однократно отраженным лучом. При отсутствии непровара контролируются части шва: нижняя - прямым лучом, верхняя - однократно отраженным. В случаях, когда затруднен доступ к горизонтальной стенке, прозвучивание выполняют по схемам II и III. Контроль по II схеме обеспечивает выявление пор, шлаковых включений, несплавлений и трещин, благоприятно ориентированных к УЗ лучу. Выявить непровар в центре двустороннего или корне одностороннего шва при контроле по схеме II практически невозможно. Этот опасный дефект можно обнаружить по схеме III с помощью PC ПЭП и двух жестко соединенных призматических ПЭП, включенных по раздельной схеме. При толщине полки более 40 мм можно применять прямой ПЭП.

 

Рис. 8. Контроль двусторонних швов:

а - тавровых; б - угловых.

Контроль нахлесточных соединений производится наклонным ПЭП на частотах 2,5 - 5 МГц обычно со стороны нижнего листа однократно отраженным лучом по совмещенной схеме (см. рис. 9). При такой схеме выявляются трещины, непровары вертикальной кромки и корня шва, а так же одиночные дефекты по сечению шва.

 

Рис. 9. Контроль нахлесточных соединений: а - по совмещенной схеме; б - зеркально-теневой метод при отсутствии дефекта;

в - зеркально-теневой метод при наличии дефекта

Угол ввода лучей выбирают из соотношений:

если K1/К2 < 1, то  = 30°;

если 1 < K1/К2, то  = 40°;

если K1/К2 > 1,5, то  = 50°.

В случае ограниченной протяженности основного листа, контроль следует вести ПЭП с максимально возможным углом ввода. Для обеспечения прозвучивания всего сечения шва ПЭП перемещают в пределах: Xmin = 2Hl * tg , Хmах = 2Н1 * tg + К1.

После проведения УЗ контроля изделия, производится оценка его качества. Нормы оценки определяются на основании действующих документов. По результатам контроля составляют заключение, в котором отражаются: основные характеристики контролируемого изделия, рабочая частота контроля УЗ, тип преобразователя, угол наклона, ввода сигнала, фамилия оператора, номер удостоверения, результаты контроля.

РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Физические основы радиационного метода контроля основаны на использовании электромагнитных излучений, обладающих большой энергией и способных благодаря этому проходить через различные плотные среды, в том числе и металлические материалы. Поглощение электромагнитных излучений при прохождении через материалы зависит от свойств материала, его плотности, толщины. Поэтому металл сварного шва и дефекты внутри него обладают разными способностями поглощать это излучение.

Схема проведения радиационного контроля представлена на рисунке 1. Как видно из рисунка 1, для выявления дефекта с одной стороны сварного шва устанавливают источник излучения, а с другой - детектор, регистрирующий информацию о дефекте. Излучение от источника, пройдя через сварное соединение 2, имеющей дефект 3, попадает на детектор 4, имеет неоднородную эпюру поля интенсивности, которая увеличивается в зоне дефекта и однородна за пределами дефекта

Рис. 1. Схема просвечивания изделия рентгеновским или гамма-излучением: 1 — источник, 2 — контролируемый

объект, 3 — раковина, 4 — шлаковое включение,

5 — эпюра интенсивности излучения за объектом.

Повышение или уменьшение интенсивности в зоне дефекта и вызвано разницей поглощающей способности металла и

материала дефекта (воздуха, шлака и т. д.). Эта разница и регистрируется детектором, например, рентгеновской пленкой, упакованной в специальную кассету.

При радиационной дефектоскопии используется рентгеновское и гамма-излучение. Как и световое, рентгеновское и гамма-излучение имеют электромагнитную природу и отличаются от светового длиной волны , которая у светового составляет 4 - 7 * 10-7м, у рентгеновского - от 6 * 10-13 до 10-9 м, у гамма-излучения - 10-13 – 4 * 10-12 м.

Рентгеновское излучение состоит из тормозного и характеристического излучения. Происходит это излучение в результате торможения на аноде рентгеновской трубки свободных электронов, обладающих большой скорость (внеядерный процесс). Кинетическая энергия торможения электронов частично превращается в лучистую энергию в виде фотонов тормозного излучения, но большая часть (97%) переходит в тепловую. Минимальная длина волны тормозного рентгеновского излучения составляет

 min = 12,4 / U,

где U - напряжение на рентгеновской трубке.

Квантом энергии тормозного излучения h (h - постоянная Планка,  - частота колебаний тормозного излучения) или энергетически заряженным электроном из атома вещества анода рентгеновской трубки выбивается электрон одной из внутренних оболочек, из-за чего атом переходит в возбужденное состояние. Освободившееся место в оболочке заполняется электроном с более удаленных от ядра оболочек, обладающих большей энергией. Атом при этом переходит в нормальное состояние, и испускает квант h характеристического излучения с энергией, равной разности энергии уровня, с которого электрон был выбит, - Е1 и уровня, с которого электрон перешел на освободившееся место,- Е2: h = Е2 - Е1.

Гамма-излучение возникает при распаде ядер радиоактивных элементов или их изотопов. Ядро состоит из элементарных частиц, которые независимо от их электрического заряда называются нуклонами. Нуклоны бывают двух типов – положительно заряженные и электрически нейтральные – нейтроны. Между положительно заряженными протонами в ядре действуют силы электростатического отталкивания, однако ядро при этом остается чрезвычайно устойчивой системой. Происходит это потому, что между нуклонами (всеми частицами ядра) действуют ядерные силы взаимного притяжения. Эти силы на много порядков превышают электростатические и гравитационные силы. Однако расстояние r между нуклонами, на котором могут проявляться ядерные силы, невелико, и при r > r0 = 10-15 м их величина практически равна нулю. При увеличении номера химического элемента, в нем возрастает количество протонов, и поэтому усиливается действие электростатических сил отталкивания. При этом из-за общего увеличения объема ядра увеличиваются и расстояния r между нуклонами. Поэтому при z > 82 (z – номер элемента в таблице Менделеева) ядерные силы не способны обеспечивать устойчивость ядер и начинается самопроизвольное превращение неустойчивых ядер в более устойчивые. Этот процесс, называемый естественным радиоактивным распадом, сопровождается испусканием положительно заряженных α-частиц (), отрицательно заряженных β-частиц (электроны), и электромагнитного гамма-излучения. Спектр гамма-излучения у радиоактивных элементов не является сплошным, т. к. включает излучения одной или нескольких дискретных энергий. При этом, поток α-частиц отклоняется в сторону отрицательного электрического поля, поток β-частиц - в сторону положительного, а гамма-излучение не реагирует ни на электрические, ни на магнитные поля. Однако, α-излучение теряет полностью энергию на расстоянии 75 - 80 см в воздушной среде, β-излучение полностью исчерпывается при прохождении 10 м воздуха или 1 мм свинца, а гамма–излучение проникает через стальное изделие толщиной до 500 мм.

Активность распада определяется числом атомов радиоактивного вещества, распадающихся в единицу времени. Закон радиоактивного распада имеет вид экспоненциальной зависимости

 

где N - число радиоактивных ядер к моменту времени t,

 No - число радиоактивных ядер в начальный момент времени

 t = 0;

е - основание натурального логарифма,

 - постоянная распада.

Скорость, с которой распадается радиоактивный элемент для данного элемента, постоянна, но различна у разных элементов. Единица времени, за которую происходит распад некоторого количества атомных ядер, называется постоянной распада р. Время, в течение которого в данном элементе количество радиоактивных ядер уменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т1/2. Атомы, имеющие одинаковый номер в таблице Менделеева (т. е. имеющие в ядре одинаковое количество протонов), но отличающиеся друг от друга атомным весом (т. е. имеющие в ядре разное количество нейтронов), называются изотопами. Для гамма-излучения применяются следующие изотопы.

Наименование

Период полураспада

Диапазон толщины контролируемых изделий, мм

Тулий 170

129 дней

15

Селен 75

120,4 дня

25

Иридий 192

74,4 дня

6…70

Цезий 137

33 года

25…120

Кобальт 60

17 лет

О взаимодействии с веществом ионизирующего излучения

Распространяясь от источника, ионизирующее излучение встречает на своем пути вещества (металл, бетон, живую ткань) и взаимодействует главным образом с его атомными ядрами и электронами атомных оболочек. Результатом такого взаимодействия является ослабление излучения в слое вещества. Это ослабление происходит под действием трех основных процессов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффекта), комптоновского рассеивания и образования пар электрон –позитрон.

Рентгеновское или гамма-излучение, проходя через вещество, как электромагнитное колебание, взаимодействует с полями атомов вещества. При этом, если электрон атома вещества получает энергию большую, чем энергия связи его в атоме, то он вылетает из атома. Такой электрон называют фотоэлектроном. Его энергия Ее равна разности энергии взаимодействовавшего с ним излучения h и энергии связи электрона в атоме Ei, т. е. Еe = h - Ei. При потере фотоэлектронов, освободившиеся места в электронных оболочках заполняются электронами с внешних оболочек атомов. Этот процесс сопровождается испусканием кванта характеристического излучения. Следует отметить, что часть фотонов потока рентгеновского и гамма-излучения не поглощаются веществом. Фотоэлектрическое поглощение уменьшается с повышением энергии излучения и возрастает с увеличением атомного (порядкового) номера вещества.

Параллельно фотоэлектрическому поглощению происходит комптоновское рассеяние в веществе рентгеновских и гамма-фотонов. Комптоновский фотон, взаимодействуя со свободным электроном, передает электрону только часть энергии. Комптоновский электрон, получив часть энергии фотона, начинает двигаться под углом  к направлению распространения рентгеновского или гамма-излучения. У фотона, отдавшего часть энергии, увеличивается длина волны колебаний, и направление движения отклоняется от первоначального на угол . Энергия излучения комптоновского фотона Е после отклонения его направления от первоначального на угол  будет равна

,

где h-первичная энергия фотона до взаимодействия с электроном.

 

Из вышесказанного следует, что ослабление интенсивности первичного излучения происходит в результате взаимодействия с электронами атомов среды рентгеновского и гамма-фотона и рассеяния их в различных направлениях за пределы первичного пучка излучения. С повышением энергии излучения величина коэффициента комптоновского рассеяния снижается гораздо в меньшей степени, чем коэффициент фотоэлектрического поглощения. При взаимодействии с веществом фотонов (рентгеновского или гамма-излучения) высокой энергии, они поглощаются ядерным полем атомов вещества, образуя при этом пару частиц – позитрон (е+) и электрон (е-). Т. к. массы покоя каждой из этих частиц равны 0,511 МэВ, энергия рентгеновского и гамма-излучения у подавляющего большинства аппаратов, применяемых в промышленности при дефектоскопии, не превосходит 2 - 2,5 МэВ, и поэтому поглощение рентгеновского или гамма-излучения за счет образования пар электрон - позитрон настолько незначительно, что можно не учитывать закон ослабления радиационного излучения.

Таким образом, вследствие описанных выше эффектов, интенсивность и мощность экспозиционной дозы первичного излучения (Io) по мере прохождения его через вещество непрерывно уменьшается. Установлено, что уменьшение мощности экспозиционной дозы излучения при увеличении толщины материала подчиняется экспоненциальной зависимости

Is = Io * e-s,

где Is - мощность экспозиционной дозы излучения на детекторе,

 S – толщина просвечиваемого материала,

е - основание натурального логарифма,

 - линейный коэффициент ослабления.

Линейный коэффициент ослабления  зависит от рода материала и рассмотренных выше коэффициентов ослабления

= ф + к + п ,

где ф  - коэффициент, определяемый фотоэффектом,

к - коэффициент, определяемый комптоновским рассеянием,

п - коэффициент, определяемый процессом образования пар.

Зависимость линейных коэффициентов ослабления  от

энергии излучения и разных материалов приведена на рис. 2 и 3.

  

Рис. 2. Зависимость линейных Рис.3.Зависимость коэффициента

коэффициентов ослабления 0 от энергии излучения для

от энергии излучения различных материалов

В области энергий излучения, где основными процессами являются фотоэффект и комптоновское рассеяние, с увеличением энергии излучения коэффициент  уменьшается, что и определяет возрастание проникающей способности излучения. В области больших энергий излучения, где превалирует процесс образования пар позитрон - электрон, коэффициент  с увеличением энергии растет.

Для каждого элемента существует значение излучения энергии Emin, при котором  минимально. Это Emin уменьшается с возрастанием z (атомного номера элемента). Способность вещества поглощать радиационное излучение часто оценивается слоем 1/2 - половинного ослабления интенсивности излучения, т. е. Ip/2. Величина этого слоя связана с

1/2 = 0,693/.

Сказанное выше об ослаблении радиационного излучения хорошо реализуется в узком пучке излучения. В более широких пучках, которые встречаются на практике, излучение ослабляется меньше, т. к. к нему добавляется та часть рассеянного излучения, которая по направлению совпадает с первичным потоком.

Единицы измерения ионизирующих излучений

Единицей измерения энергии ионизирующего излучения является Джоуль, т. е. [E] = 1 Дж, который эквивалентен механической работе силы в 1 Н, перемещающей тело на расстояние 1 м в направлении действия силы.

Часто энергию радиационных излучений выражают в килоэлектронвольтах (кэВ) или мегаэлектронвольтах (МэВ). Электронвольт равен энергии, приобретаемой частицей, несущей элементарный заряд электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов 1 В.

Активность радиоактивного изотопа характеризуется числом атомов, распадающихся в единицу времени, и определяется произведением постоянной распада р на число радиоактивных атомов N

Au = р * N.

Активность в источнике в системе СИ измеряется числом распадов n в секунду

A = n/t = Бк (беккерель).

Отношение активности изотопа к массе или объему источника называется удельной или объемной активностью. На практике широко применяется единица активности – кюри (Ки). Ки – активность такого количества радиоактивного вещества, в котором происходит 3,7 * 1010 распадов в секунду. Таким количеством распадов характеризуется 1 г радия.

Интенсивностью ионизирующего излучения характеризуют энергию излучения, падающую в единицу времени на единицу площади, направленной нормально к вектору потока излучения. Поток излучения определяется энергией, переносимой в единицу времени

P = E/t = Дж/сек = Вт

Отсюда, интенсивность излучения I

I = P/S = Вт/м2.

Оценкой действия ионизирующего излучения в среде являются дозовые характеристики поля излучения. Поглощенная доза излучения Дп характеризует энергию ионизирующего излучения, отнесенную к единице массы облучаемой среды (вещества)

Дп = Е/m = Дж/кг = Гр

Единице Дж/кг с 1975 года присвоено наименование Грей (Гр).

Внесистемная единица поглощенной дозы – рад. Мощность поглощенной дозы Nд определяют как дозу в единицу времени

Nд = Дп/t = Дж/(кг * с) = Вт/кг = Гр/сек.

Эквивалентная доза излучения определяет биологическое воздействие излучения на организм человека. Эквивалентная доза излучения Дэ равна произведению поглощенной дозы в биологической ткани Дп на коэффициент качества К этого излучения

Дэ = К * Дп.

Коэффициент К определяет биологический эффект данного вида излучения. Например, для излучений β, гамма и рентгеновского К = 1, а для α-излучения с энергией до 10 МэВ К = 20. Единица эквивалентной дозы излучения – зиверт (Зв), внесистемная единица дозы - бэр.

Бэр = рад/К.

Экспозиционной дозой излучения характеризуется его ионизирующее действие в сухом атмосферном воздухе и оценивается количеством электрических зарядов, образующихся при прохождении излучения через единицу массы воздуха. Единица экспозиционной дозы Х равна

Х = Q/m = Кл/кг.

Внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р) - соответствует дозе, при прохождении которой через 1,293 * 10-3 грамма воздуха, в последнем (воздухе) образуется заряд в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

Мощность экспозиционной дозы излучения Nx соответствует дозе Х в единицу времени

Nx = X/t = Кл/кгс = (Кл/сек)/кг = А/кг.

Основные единицы измерения ионизирующих излучений в системе (СИ) и их связь с внесистемными единицами приведены в таблице 1.         

Таблица 1

Единицы измерения ионизирующих излучений

Величина

Единица измерения в системе СИ

Внесис-темная единица

Соотношение между единицами

Энергия ионизирующего излучения

Дж

эВ

1Дж=6,25*1012 МэВ

Активность изотопа

Бк , 1/сек

Ки

1 Бк = 2,7*10-11 Ки

Интенсивность иони-зирующего излучения

Вт/м2

МэВ/см2с

1Вт/м2 =

=6,24*108 МэВ/см2с

Поток энергии иони-зирующего излучения

Дж/с, Вт

Поглощенная доза излучения

Дж/кг, Гр

Рад

1Гр = 102 рад

Мощность поглощенной дозы излучения

Гр/с, Вт/кг

Рад/с

1Гр/с = 102 рад/с

Эквивалентная доза излучения

Зв

Бэр

1Зв = 102 бэр

Мощность эквивален-тной дозы излучения

Зв/с

Бэр/с

1Зв/с = 102 бэр/с

Экспозиционная доза излучения

КЛ/кг

Р

1 Кл/кг = 3,88*103 Р

Мощность экспозиционной дозы

Кл/кг*с = = А/кг

Р/с

1 А/кг =3,88*103 Р/с

Часто на практике при сравнении мощностей экспозиционной дозы разных источников применяют понятие гамма-эквивалент. Это связано с тем, что каждый изотоп в виде точечного источника активностью в 1 мКи на расстоянии 1 см в течении 1 часа имеет постоянную экспозиционную дозу гамма-излучения, которая называется гамма-постоянной Г. У одного мг радия Rа Г = 8,4 Р/ч. Отношение гамма-постоянной любого изотопа и гамма-постоянной радия и называется гамма- эквивалентом.

Рентгеновские и гамма-дефектоскопы

Для радиационной дефектоскопии применяют большое многообразие источников ионизирующего излучения. По принципиальным схемам все они сводятся к нескольким типам: рентгеновские аппараты, гамма-аппараты, линейные ускорители, бетатроны, микротроны и т. д.

Рентгеновские аппараты состоят из рентгеновской трубки в защитном кожухе, высоковольтного генератора и пульта управления.

Рентгеновская трубка представляет собой стеклянный баллон, из которого удален воздух (см. рис. 4). В сосуд впаяны два электрода - анод 1 и катод 3. Катод изготовлен из вольфрамовой проволоки, навитой в спираль. Он нагревается источником тока до высоких температур и испускает электроны 2 (термоэлектронная эмиссия). Анод трубки, используемый для получения рентгеновского излучения, изготавливают в виде пластины из вольфрама и молибдена. Чтобы электроны, вышедшие из катода, приобрели необходимую кинетическую энергию, к аноду и катоду трубки прикладывают высокое напряжение (более 10 кВ).

Рис. 4. Схема рентгеновской трубки: 1 - анод,

2 - электроны, 3 - катод, 4 – контакты нити накала,

5 – рентгеновское излучение

Высоковольтный генератор состоит из высоковольтного трансформатора, трансформатора накала трубки и выпрямителя. В пульт управления обычно входят: автотрансформатор, регулятор напряжения и тока, измерительные приборы, сигнальная система и система управления. Среди дефектоскопов различают аппараты с постоянной нагрузкой и импульсные. Аппараты с постоянной нагрузкой подразделяются на моноблоки и аппараты кабельного типа. Моноблочными называются аппараты, у которых рентгеновская трубка и высоковольтный трансформатор объединены в единый блок, залитый маслом или заполненный газом (рис. 5).

 

Рис. 5. Принципиальная (а) и блок-схема (б)

рентгеновского аппарата-моноблока:

1 - трансформатор Тр, 2 - рентгеновская трубка,

3 - рентгеновское излучение, 4 - кожух

Рентгеновская трубка у моноблоков совмещает в себе выпрямитель, т. к. пропускает ток только в одном направлении. Главное достоинство моноблоков - весогабаритные характеристики. Толщины, просвечиваемые моноблоками - от 25 до 120 мм. Преимущественная область применения там, где требуется удалить излучатель от пульта управления на большое расстояние (до 30 м и более) и получить большую маневренность излучателя. Масса аппаратов от 60 до 600 кг.

Марки моноблочных аппаратов РУП-120-5, РУП-400-5, РАП-160-10П.

Рис. 6. Принципиальная (а) и блок-схема (б)

кабельного аппарата: 1 — трансформатор Тр,

2—рентгеновская трубка, 3—рентгеновское излучение,

4 — выпрямители, 5 — конденсаторы.

Аппараты кабельного типа состоят из самостоятельных блоков генераторного устройства, рентгеновской трубки и пульта управления (рис. 6). Аппараты предназначены для работы в цеховых и лабораторных условиях и особенно удобны (при разделяющейся схеме управления) для контроля труднодоступных мест. Просвечиваемые толщины от 30 до 70 мм. Масса аппаратов (общая) от 200 до 1000 кг. Марки кабельных аппаратов РУП-100-10, РАП-150/300-01. Конструктивно импульсные рентгеновские аппараты выполняют из 2-х блоков - управления и рентгеновского (рис. 7).

 

Рис. 7. Принципиальная (а) и блок-схема (б) импульсного рентгеновского аппарата: 1 - трансформатор Тр1;

2 - выпрямитель В, 3 - конденсатор С, 4 - электронный

ключ ЭК, 5 - импульсный трансформатор Тр2,

6 - рентгеновская трубка РТ, 7 - рентгеновское излучение.

Высоковольтный импульсный разряд осуществляется за счет накопления электрической энергии в конденсаторе, с последующей разрядкой конденсатора через повышающий трансформатор в импульсную рентгеновскую трубку. Подобная конструктивная схема обеспечивает импульсным аппаратам весогабаритные характеристики от 12 до 46 кг. Однако сложные условия работы приводят к тому, что ресурс работы импульсных рентгеновских трубок в 10 раз меньше, чем трубок с горячим катодом (50 часов против 500 часов). Несмотря на этот недостаток, а также более низкую чувствительность по сравнению с обычными аппаратами, они широко применяются в монтажных условиях в судостроительной промышленности, при строительстве газопроводов и т. д. Их достоинства - малая масса, портативность и низковольтные источники питания. Марки импульсных аппаратов РИНА-1Д, МИРА-30 и т. д.

Радиационные дефектоскопы в простейшем виде представляют собой головку с радиоактивным изотопом, привод источника, ампулопровод и пульт управления. Все типы выпускаемых дефектоскопов условно можно разделить на установки общепромышленного назначения (универсальные шланговые дефектоскопы) и специального назначения для фронтального и панорамного просвечивания. В универсальных шланговых дефектоскопах (см. рис. 8) источник излучения можно подавать в зону контроля из радиационной головки по гибкому или жесткому ампулопроводу в коллимирующую головку.

Рис. 8. Кинематическая схема шланговых дефектоскопов

типа «Гаммарид»: 1 - приводное колесо,

2 - подающий трос, 3 - соединительный шланг, 4 - держатель источника излучения, 5 - радиационная головка,

6 - ампулопровод, 7 - коллимирующая головка.

Длина ампулопровода у универсальных гамма-дефектоскопов достигает 5 - 12 м. Эти дефектоскопы применяются в машиностроении в стационарных условиях для просвечивания деталей больших толщин. Наиболее широко из них используется дефектоскоп РИД-41 из серии «Гаммарид». Существует так же специальные гамма-дефектоскопы для фронтального и панорамного просвечивания (см. рис. 9). В основном, гамма-дефектоскопы имеют малые весогабаритные характеристики (за исключением РИД-32 и РИД-34), из-за чего они нашли широкое применение в полевых и монтажных условиях при строительстве газопроводов, кораблей и т. д. Диапазон просвечиваемых толщин от 1 до 200 мм (для стали).

Рис. 9. Кинематическая схема дефектоскопа для

фронтального и панорамного просвечивания типа

«Магистраль-1»: 1 - привод управления, 2 - подающий

трос, 3 - соединительный шланг, 4 - держатель

источника излучения, 5 - радиационная головка

Тормозное излучение большой мощности создают так же линейные ускорители. Как и рентгеновская трубка, линейные ускорители представляют собой цилиндрический сосуд, из которого удален воздух (см. рис. 10).

 

Рис. 10. Схема линейного ускорителя: 1 - камера,

2 - электромагнит, 3 - генератор, 4 - волновод,

5 – электронная пушка, 6 - мишень, 7 - вакуумный насос.

Электроны, вылетающие из электронной пушки (катода) с энергией 30 - 100 кэВ, ускоряются электрическим полем бегущей волны и после попадания в мишень (анод), в последней возникает тормозное излучение с экспозиционной дозой (5 – 75000) * 10-5 Кл/кг. Благодаря этому, линейные ускорители с успехом применяются при просвечивании сварных швов толщиной до 500 мм. В промышленности применяются ускорители ПУЭ-10/1Д, ПУЭ-15-1500Д и др.

Так же высоким тормозным излучением обладают микротроны (см. рис. 11).

Рис. 11. Схема микротрона: 1 - камера, 2 - электромагнит,

3 - волновод, 4 - электронная пушка, 5 - мишень,

6 - резонатор, 7 - вакуумный насос.

Микротрон - это циклический резонансный ускоритель электронов с постоянным во времени, однородным магнитным полем. Разогнанные в вакуумной камере микротрона электроны, попадая на мишень, вызывают рентгеновское излучение с экспозиционной дозой (4 ÷ 70) * 10-3 Кл/кг. Электронный пучок микротрона обладает высокой моноэнергетичностью. Основное преимущество микротронов заключается в высокой интенсивности и малой расходимости рентгеновского излучения. Его эффективное фокусное пятно составляет 2 - 3 мм в диаметре. В промышленности применяются микротроны РМД-10Т, МТ-20, MP-30.

Линейные ускорители и микротроны обладают малым фокусом и высокоинтенсивным рентгеновским излучением, благодаря чему время при их просвечивании сокращается в 15 - 20 раз при высокой относительной чувствительности 0,8 - 1,0.

В бетатронах, как и в микротронах, разгон электронов осуществляется при их движении по круговым орбитам, но происходит при возрастающем во времени магнитном поле (см. рис. 12). Последнее позволяет удерживать пучок электронов на постоянной орбите и более четко фокусировать его. Поэтому фокус тормозного излучения у бетатронов составляет несколько десятых долей миллиметра.

Бетатроны обеспечивают меньшую интенсивность излучения, чем линейные ускорители и микротроны, но их более широко применяют в дефектоскопии благодаря меньшей массе, небольшим габаритам и более высоким экономическим показателям.

Промышленность выпускает переносные бетатроны типа ПМБ-6 массой 100 кг и стационарные Б-30 и Б-65 массой до 6 тонн.

 

Рис. 12. Схема

бетатрона:

1 - камера,

2 - электронная

пушка,

3 - корпус магнита,

4 – мишень.

Детекторы ионизирующих излучений

По видам детекторов интенсивности излучения за просвечиваемым объектом различают следующие методы контроля: радиографический, радиоскопический и радиометрический.

В качестве регистраторов излучения в радиографическом методе используют радиографические пленки. Результат контроля выявляется после обработки пленки. Таким образом, при радиографическом контроле существует разрыв во времени между просвечиванием объекта и рассмотрением его изображения.

Реакция детекторов на рентгеновское или гамма-излучение в радиационной дефектоскопии (степень почернения радио-графических пленок, величина электрических сигналов у радиометрических детекторов, или яркость светового излучения на радиоскопических детекторах) зависят от интенсивности ионизирующего излучения I [Вт/м2] и времени его воздействия t. Произведение (Нэ = I * t) называют экспозицией. Экспозиция рентгеновского излучения выражается как произведение тока рентгеновской трубки на время его прохождения при соответствующем напряжении прибора в кВ. Экспозиция гамма-излучения выражается как произведение активности источника излучения, выраженной в гамма-эквиваленте радия на время экспозиции.

Детекторами радиографических методов контроля являются радиографические пленки. По свойствам и назначению они подразделяются на две группы: безэкранные (для использования без флуоресцентных экранов или с металлическими усиливающими экранами) и экранные пленки с применением флуоресцентных усиливающих экранов. К первой группе относятся пленки РТ-5, РТ-4, РТ-3, РТ-1; ко второй - РТ-2, РМ-1, РM-2, РМ-3.

Радиографические характеристики пленки определяются зависимостью плотности почернении от логарифма экспозиции. Под плотностью почернения понимается логарифм отношения яркости падающего светового потока h0 к яркости светового потока, прошедшего через пленку hп

 .

Плотность почернения, равная 1, 2 и 3 соответствует ослаблению яркости в 10, 100 и 1000 раз. Для определения оптической плотности применяются специальные приборы - сенситометры. Зависимость плотности почернения от логарифма экспозиции представлена на рис. 13.

 

Рис.13. Характеристическая кривая

Радиографической пленки

Из анализа кривой видно, что до экспонирования пленка обладает начальным почернением, называемым вуалью. D0 lgНэ

Плотность вуали у пленок, только что выпущенных, не превышаем 0,2. Годными являются пленки с вуалью до 0,3. Участок АВ называется областью недодержек и характеризуется непропорциональностью увеличения почернения к увеличению экспозиции. Участок БВ - область нормальных экспозиций, где плотность почернения пропорциональна экспозиции, участок ВГ - область передержек, где с увеличением экспозиции плотность почернения возрастает непропорционально экспозиции.

Один из основных показателей пленок - контрастность - свойство отвечать на увеличение экспозиции увеличением оптической плотности. Контрастность определяется тангенсом угла наклона участка БВ

.

Пленки с более высокой контрастностью при равных условиях с точки зрения радиационной дефектоскопии дают более качественное изображение.

Важным показателем пленки является ее спектральная чувствительность. Ее определяют по кривой графика как величину, обратную экспозиции, необходимой для получения оптической плотности, превышающей на 0,85 (или на 2) плотность вуали. Единицей чувствительности служит рентген в минус первой степени - Р-1. Если, например, чувствительность пленки равна 25 Р-1, то экспозиционная доза для получения оптической плотности D0 = D0’ + 0,85 (или D0 = D0’ + 2) составила Р/25 (где D0’- плотность вуали).

Чувствительность пленки зависит от размеров зерен бромистого серебра. У пленок с большим размером зерна чувствительность выше, чем у мелкозернистой пленки. Однако увеличение размеров зерна ведет к снижению разрешающей способности пленки.

Разрешающая способность определяет свойства пленки раздельно регистрировать близко расположенные самостоятельные дефекты. Количественно эта характеристика оценивается числом штриховых линий одинаковой толщины, различимых на участке пленки длиной 1 мм под микроскопом.

В радиографии у пленок невысокой чувствительности (мелкозернистых) разрешающая способность достигает 140 - 180 линий на 1 мм, в то же время у высокочувствительных (крупнозернистых) она составляет 60 - 70 линий на 1 мм.

Для сокращения времени просвечивания и получения более четкого снимка применяются металлические и флуоресцентные экраны. Усиливающее действие экранов характеризуется коэффициентом усиления, равным отношению времени просвечивания без экрана к времени просвечивания с экраном.

Для пленок РТ-1, PT-3, РТ-4 и РТ-5 применяются металлические экраны, выполненные из свинцовой, медной или титановой фольги толщиной от 0,05 мм до 0,5 мм, которые сокращают время экспозиции в 2 - 3 раза. Для пленок РТ-2, РМ-1, РМ-2 и РМ-3 применяются флуоресцентные экраны, в которых на пластмассовые или картонные подложки нанесен слой люминофора из сернистого цинка, сернистого кадмия, вольфрамовокислого кальция. Эти экраны уменьшают время экспозиции в 2 - 5 раз.

Рентгеновская пленка поступает на участок контроля в жестких или гибких кассетах. Гибкая кассета представляет собой двойной конверт из черной светонепроницаемой бумаги или дерматина. Жесткие кассеты изготовляются из алюминия. В соответствии с ГОСТ 15843-70 изготавливаются 15 типоразмеров гибких и жестких кассет. Гибкие кассеты, заряженные радиографической пленкой и экранами, устанавливают на ферромагнитных материалах с помощью магнитных держателей типа МД-1. На немагнитные материалы кассеты крепятся с помощью резиновых полос и ремней.

Радиоскопический метод позволяет получать информацию о дефектности шва одновременно с его просвечиванием, т. к. радиационное изображение в радиоскопии преобразуется в световое или электронное благодаря люминесценции кристаллических веществ при воздействии на них ионизирующего излучения. Этот метод известен так же под названием «радиационная интроскопия». Радиационные интроскопы – флюороскопы, которые состоят из флюороскопического экрана, преобразующего рентгеновское изображение в видимое, оптической системы с блоком биологической защиты и приемной трубки с экраном. Документальная регистрация осуществляется так же с помощью фотографирования изображения. Существуют аппараты, в которых наблюдаемая картина может передаваться на расстояние с помощью телевизионной техники.

Таким образом, детекторами при радиоскопических методах контроля являются люминофоры и сцинтилляторы.

Люминофоры, которые применяются для регистрации рентгеновского и гамма-излучения, можно разделить на две группы: с желто-зеленым свечением и сине-фиолетовым. Желто-зеленое свечение смеси сульфидов цинка и кадмия дают спектральное распределение свечения, максимум энергетического выхода которого совпадает с максимумом чувствительности человеческого глаза. Эти люминофоры используются для изготовления флюороскопических экранов, применяемых для визуального изображения в процессе облучения контролируемых объектов.

У люминофоров с сине-фиолетовым свечением максимум энергетического выхода свечения близок к максимуму спектральной чувствительности радиографических пленок. Их используют для изготовления флюоресцентных экранов, применяемых для усиления флюорографического действия ионизирующего излучения. Сцинтилляторы под воздействием ионизирующего излучения люминесцируют кратковременными (100 мкс – 1нс) вспышками – сцинтилляциями. В качестве сцинтиллятора чаще применяют кристаллы йодистого натрия или калия, активированные таллием, из которых создаются готовые экраны.

Сущность радиометрического метода заключается в преобразовании прошедшего через контролируемый материал излучения (плотности потока или спектрального состава) в пропорциональный ему электрический сигнал, который осуществляется детектором, состоящим из ионизационных камер, газоразрядных счетчиков, полупроводниковых или сцинтилляционных кристаллов. В качестве источников ионизирующего излучения в радиометрии применяются радиоизотопные дефектоскопы, ускорители и реже - рентгеновские аппараты. Преимуществом радиометрии является высокая чувствительность, возможность проведения бесконтактного контроля качества движущихся изделий при их поточном производстве, высокое быстродействие получения результирующего изображения и большая производительность.

Радиометрический метод основан на просвечивании контролируемых изделий узким коллимированным пучком излучения, что позволяет ему достаточно эффективно осуществлять контроль довольно толстостенных изделий - стали толщиной до 500 мм, алюминия до 1000 мм, магния и пластмасс до 2000 мм. В отличие от описанных выше, радиометрический контроль осуществляется двумя методами – среднетоковым и импульсным - и на крупных контролируемых изделиях, как правило, выполняется посредством сканирования изделия или источника излучения синхронно с детектором.

В радиационных методах контроля применяется большое количество детекторов, в том числе, ионизационные, полупроводниковые, радиолюминесцентные, фотографические.

Ионизационный детектор представляет собой наполненный газом конденсатор. При отсутствии электрического поля между обкладками (электродами) конденсатора, ионизация газа конденсатора не приводит к возникновению ионизационного тока, т. к. возникшие пары рекомбинируют. При наличии поля ионы перемещаются к соответствующим электродам (обкладкам) и во внешней цепи конденсатора появляется ток. Зависимость ионизационного тока Iп от напряжения на обкладках показана на рис. 14. В диапазоне напряжений U0 – U1, с увеличением напряженности поля увеличивается вероятность достижения возникшими ионами соответствующего электрода. И поэтому рост напряжения приводит к росту ионизационного тока. На участке U1 – U2 все ионы достигают электродов, и поэтому рост напряжения не приводит к росту тока Iп.

Рис. 14. Зависимость ионизационного тока от напряжения

на электродах ионизационного детектора

При U > U2 скорость ионов сначала становится достаточной для возникновения ударной ионизации вторичных электронов, приводящих к ионизации молекул. Поэтому ионизационный ток на участке U2 - U3 возрастает пропорционально прикладываемому напряжению. Этот процесс называется газовым усилением и характеризуют коэффициентом газового усиления.

Наконец, при U > U4, в газе возникает электронная лавина. Возбужденные атомы испускают кванты ультрафиолетового излучения, которые вместе с ионами выбивают из катода свободные электроны, способствующие поддержанию в газе самостоятельного разряда. Эта область называется областью Гейгера. Область графика U1 - U2 называется областью насыщения. В этой области работают детекторы, называемые ионизационными камерами. Рабочее напряжение на электродах камер 100 – 200 В. Форма камер цилиндрическая, плоская и сферическая. Материал стенок и их толщина зависят от предмета регистрации.

В области U2 - U3 работают пропорциональные счетчики. С помощью этих счетчиков можно определить вид и энергию ионизирующих частиц. Катод счетчика выполнен в виде цилиндра, а анодом является тонкая вольфрамовая нить, натянутая по оси цилиндра. Рабочее напряжение более 300 В.

В области Гейгера работают счетчики Гейгера – Мюллера. Эти счетчики бывают самогасящиеся и несамогасящиеся. У несамогасящихся рабочее напряжение 700 В, у самогасящихся 400 – 450 В.

Полупроводниковые детекторы – счетчики, основанные на изменении электрической проводимости в твердых телах под действием излучения. К электродам счетчика в непроводящем направлении прикладывается напряжение смещения. Попадая в чувствительный объем счетчика, ионизирующие частицы образуют там носители зарядов – пары: электрон – дырка, при этом в цепи появляется ионизационный ток Iп.

Сцинтилляционные счетчики представляют собой сочетание экранов из сцинтилляционных кристаллов с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Высокая светоотдача сцинтиллятора и коэффициент усиления ФЭУ обеспечивают чувствительность этих счетчиков, в 20 раз превосходящую чувствительность газоразрядных счетчиков.

Основные параметры радиационного контроля

Основными параметрами радиационного контроля изделия являются его толщина, плотность, порядковый номер элемента, материал изделия, энергия источника излучения, мощность экспозиционной дозы, размер фокуса источника излучения и фокусное расстояние, ориентация дефекта в изделии и его форма, тип рентгеновской пленки, чувствительность и разрешающая способность метода.

Под чувствительностью радиографического метода понимается способность достаточно контрастно визуализировать на детекторе (пленке) картинку фазового содержания просвечиваемой среды и возможность неоднократного воспроизведения этой картины. В радиографии в понятие чувствительность метода включается чувствительность пленки и основные параметры контроля, способствующие ее повышению или понижению. Чувствительность подразделяется на абсолютную и относительную.

Под абсолютной чувствительностью понимаются размеры минимально выявляемого дефекта в направлении просвечивания. Значение (в мм) абсолютной чувствительности определяется из соотношения:

S = [0,005 (2+S)] / ,

где: S - толщина контролируемого материала,

 - линейный коэффициент ослабления излучения.

Относительная чувствительность характеризует отношение минимально выявляемого дефекта в направлении просвечивания к толщине материала контролируемого изделия и выражается в процентах K = (∆S/S) * 100.

В соответствии с ГОСТ 7512-82 величина абсолютной чувствительности контроля может быть вдвое меньше величины минимального дефекта, который требуется выявить при контроле.

Для определения правильности выбора относительной чувствительности радиографического контроля используют специальные эталоны, которые представляют собой пластины с идеальными дефектами, имеющими резко очерченные контуры с резким перепадом толщин.

Таблица 3. Эталоны чувствительности, применяемые

в радиационной дефектоскопии

Тип эталона

Размер и эскиз

Относи-тельная чувстви-тель-ность, %

Стандар-тизирован в странах

Проволоч-ный

1

СССР (ГОСТ 7512-82), страны СЭВ, ФРГ, Англия, Япония

Канавоч-ный

1

СССР, ГОСТ 7512-82

Пластин-чатый с отверсти-ями

1,5 – 2,0

США

Ступенча-тый с от-верстиями

2,0 – 2,5

МИС

В таблице 3 представлены типы эталонов, которые принимаются в радиационной дефектоскопии, в том числе, первые два - в российской промышленности. Первый эталон состоит из пластикового чехла с семью проволоками различного диаметра, отличающимися друг от друга в 1,25 раза. Второй эталон выполнен из пластины, в которой нарезано шесть канавок прямоугольного сечения. Глубины рядом расположенных канавок отличаются в 1,39 раза. На практике применяются 4 типоразмера эталонов каждого вида.

Чувствительность радиографических снимков определяется по наименьшей видимой на снимке глубине канавки (канавочный эталон) или наименьшей проволоке (проволочный эталон) при данной толщине контролируемого изделия, а ГОСТом 7512-82 регламентируется глубина видимой канавки при соответствующей толщине металла. 

Материал, из которого изготовлены эталоны, соответствует материалу контролируемого изделия. При контроле эталоны маркируют свинцовыми буквами и цифрами. Буквы обозначают материал эталона, цифры – номер его типа. Разрешающая способность метода определяется разрешающей способностью пленки с учетом таких внешних факторов, как энергия излучения, толщина материала, его плотность и порядковый номер в таблице Менделеева.

Влияние толщины, плотности материала и энергии излучения на чувствительность радиографического метода

Влияние плотности материала (его порядкового номера в таблице Менделеева) на чувствительность уже рассматривалось, когда говорилось об ослаблении линейного коэффициента (см. рис. 3). Из рисунка 3 видно, что с увеличением плотности и порядкового номера элемента, из которого сделано просвечиваемое изделие, при одинаковых значениях энергии излучения, линейный коэффициент ослабления возрастает, а следовательно, уменьшается интенсивность ионизирующего излучения (или плотность потока энергии), т. к.

Ix = Io e-x.

Толщина контролируемого материала более сложно влияет на чувствительность. С увеличением толщины одного и того же материала линейный коэффициент ослабления убывает, из-за чего относительная чувствительность растет (см. рис. 15).

 

Рис. 15. Зависимость чувствительности радиографического контроля от толщины контролируемого соединения

Энергия ионизирующего излучения бывает мягкая и жесткая. Чем больше энергия излучения, тем меньше длина волны, больше частота колебаний и жесткость излучения. С ростом толщины мягкие составляющие излучения ослабляются сильнее чем жесткие, и в последующие слои попадает более жесткое излучение. При этом, с ростом толщины замедляется убывание линейного коэффициента ослабления – он приближается к постоянному значению. Для сравнительно больших толщин подъем кривой (см. рис. 15) (уменьшение относительной чувствительности) объясняется эффектом рассеяния. В конечном итоге ухудшение чувствительности из-за рассеянного излучения, проявляющегося в уменьшении контрастности до нуля, определяет предел применимости всего метода просвечивания материалов до определенной толщины (100 - 150 мм).

Энергия излучения

Влияние энергии ионизационного излучения на относительную чувствительность контроля показано на рис. 16. Как видно из графика, чувствительность контроля стали одинаковой толщины тем выше, чем меньше энергия излучения.

Рассеянное излучение в зависимости от энергии первичного излучения изменяет качество снимка, снижая его контрастность, а следовательно, и чувствительность. При отсутствии рассеяния дефект на пленке будет изображаться с четкими границами (см. рис. 17). Однако на практике всегда существует рассеяние излучения, ухудшающее контрастность изображения. Вследствие этого ряд дефектов может быть вообще не виден. Рассеяние растет с увеличением толщины. Совершенно избавиться от него невозможно. Однако уменьшить рассеяние можно за счет применения специальных фильтров. Эти фильтры представляют собой тонкий слой оловянной (S = 0,025 мм) или свинцовой (S = 0,075…0,15 мм) фольги. Располагая фольгу между источником и контролируемым объектом, либо между пленкой и объектом, можно существенно снизить рассеяние излучения. Этого же можно добиться с помощью искусственного диафрагмирования источника излучения, или с помощью увеличения расстояния от контролируемого объекта до пленки.

 

Рис. 16. Зависимость чувствительности радиографического контроля от энергии излучения: а — рентгеновского аппарата РУП-150-10, б — изотопов

Рис. 17. Влияние рассеянного излучения на контрастность изображения при просвечивании:

а - при параллельном нерассеянном пучке излучения, б - ухудшение контрастности от рассеянного излучения при просвечивании изделий большой толщины, в - улучшение контрастности при просвечивании изделий малой толщины тем же пучком излучения.

Влияние на чувствительность формы дефекта и его пространственной ориентации

Хорошо визуализируются на пленке дефекты, у которых форма резко очерчена и толщина в плоскости луча изменяется скачкообразно. У деталей с плавными формами (например, шарообразная пора) интенсивность прохождения лучей от края к середине изменяется медленно и изображение получается размытым, не контрастным (см. рис. 18). Хорошо и четко фиксируются дефекты, протяженность которых в плоскости луча достаточно большая. На рис. 19 показана выявляемость трещин с разной величиной раскрытия, в зависимости от угла падения луча. Хорошо видно, что при углах падения близких к 00, высока выявляемость трещин с величиной раскрытия до 0,1 мм. В то же время, при нормальном расположении к лучу не выявляются трещины с величиной раскрытия более 0,4 мм. Закаты в листах, расположенные параллельно поверхности листов, при радиографии выявляются очень мало (35 – 40 %).

Рис. 18. Влияние формы дефекта на контрастность его изображения: а - прямоугольный, б - шаровой, в - трапецеидальный

Рис. 19. Выявляемость трещины в зависимости от ориентации ее к направлению излучения

Фокусное пятно и фокусное расстояние

Для характеристики оптических свойств рентгеновских трубок существует понятие действительного и оптического фокусного пятна рентгеновской трубки. Действительным фокусным пятном трубки называют участок поверхности анода, в пределах которого тормозится пучок электронов с высокой энергией, пришедших с катода (см. рис. 20). Оптическим фокусом называют проекцию действительного фокусного пятна в направлении оси рабочего пучка излучения на плоскость, перпендикулярную этой оси.

 

Рис. 20. Схема формирования оптического фокуса

рентгеновской трубки: 1 — действительное фокусное пятно,

2 - сечение электронного лучка, 3 - анод, 4 - оптический фокус

Различают трубки с круглыми и линейными оптическими фокусами. Для улучшения четкости изображения предпочтительно иметь фокусные пятна меньших размеров.

У трубок с круглым оптическим фокусом эта задача решается более сложно, чем у трубок с линейным фокусом. Поэтому широко применяются трубки с линейным фокусом. Диаметры фокусов у рентгеновских трубок колеблются от 0,3 до 10 мм.

У источников гамма-излучения величина оптического фокуса определяется величиной коллимирующего отверстия радиационной головки, являющегося излучающим пятном. Излучающие пятна у гамма-аппаратов имеют размеры от 2 до 10 мм.

Фокусным расстоянием F называется расстояние между фокусом и поверхностью просвечиваемого изделия. Обычно его величина записывается в паспортных данных источника. На практике фокусное расстояние определяется из соотношения

F  1,5L 

где L – характерный размер облучаемого поля (длина пленки при

контроле одиночными снимками, ширина пленки при

панорамном просвечивании).

Фокусное расстояние у существующих источников колеблется в пределах от 300 до 700 мм. Уменьшение фокуса вызывает более четкий рельеф изображения дефекта на снимке, из-за чего возрастает относительная чувствительность контроля (см. рис. 21). Увеличение фокусного расстояния аналогично ослаблению энергии излучения, т. е. оно (излучение) становится более мягким. При этом улучшается чувствительность контроля. В то же время к фокусному расстоянию источника обычно привязаны параметры рассчитываемой экспозиции. Поэтому, если необходимо увеличение чувствительности за счет увеличения фокусного расстояния, расчетное время экспозиции увеличивают в соответствии с зависимостью

t = t0 * (F/F0)2

где to и Fo – рассчитанное экспозиционное время и фокусное

расстояние источника, (по документам),

 t и F – пересчитанное время на новое фокусное расстояние F

источника.

Рис. 21. Влияние размера фокуса (d) на

чувствительность контроля

Технология радиографического контроля

Проведение радиографического контроля начинается с выбора источника излучения, пленки, основных параметров технологии контроля и оптимального режима просвечивания, т.е. оптимальной экспозиции (произведение интенсивности ионизирующего излучения I на время его воздействия t). В российской промышленности применяются аппараты рентгеновского и гамма–излучения, выпускаемые как отечественной, так и зарубежной промышленностью. Некоторые типы отечественных аппаратов представлены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4. Характеристики рентгеновских аппаратов

Тип аппарата

Напряжение на трубке, кВ

Ток трубки, мА

Размер фокусного пятна,

мм

Масса рентгенов-ского излу-чателя и ге-нератора, кг

Толщи-на про-свечи-ваемой стали, мм

О т е ч е с т в е н н ы е м о н о б л о к и

РУП-120-5

50—120

5

2X2

45

15

РАП-150-ЗДФ

0—150

3

2X2

20

40

РЛП-160-6П

50—160

6

1,2X3,5

35

40

РАП-160-10Н

40—160

10

2X2

55

45

РАП-220-5Н

40—220

5

2X2,5

62

60

РАП-300-5Н

100—300

5

3X3

70

70

К а б е л ь н ы е

РУП-100-10

10—100

1—10

1,5x1,5

77

10

РУП-150-10-1

35—150

10

05

85

255

РУП-150-01

35—150

2

0,3X1,4

85

15

РУП-150-02

10—150

10

1,5X1,5

90

20

РУП-150-03

35—150

10

05

100

30

РУП-150-7

10—150

1—7

0,3X1,4

104

15

РУП-150/300-10

10—100

10 - 150

30—150

30—300

1-3

0,5+2,0

1—10

4—10

1,5X1,5

0,3

5

1,5X4

510

560

560

620

10

40

40

80

РАП-320-15

80—320

15

05

700

85

РТД-1

250—1000

1,5

0,3X5

1600

120

И м п у л ь с н ы е

МИРА-2Д

120

15

3

10

20

МИРА-ЗД

160

20

4

20

30

РАПС-1М

300

2

3

40

40

ПИР-600

600

2

3

120

20

ПИР-1200

1200

2

4

35

45

РАДАН-220

200

4

3

8,2

40

З а р у б е ж н ы е м о н о б л о к и

Радиоляйт («Джилардоно», Италия)

5-80

15

2X2

19,0

10

Макротанк («Мюллер», ФРГ)

35—140

5

1,2X1,2

25

30

100В («Балто», Бельгия)

40—100

4

0,8X2,1

36,5

16

Супер-лилипут 140 («Медикон», Венгрия)

140

8—14

1,5X1,5

32

22

Эреско-200 («Зейферт», ФРГ)

200

5

2,0X2,0

75

60

К а б е л ь н ы е

Изовольт-200 («Зейферт», ФРГ)

200

20

1,5X1,5

0,4X0,4 2,5X2,5

75

60

2064 («Пантак», Англия)

200

15

1,5X1,5

545

60

Изовольт-400 («Зейферт», ФРГ)

400

10

4Х4

-

80

400/10 («Болто», Бельгия)

400

10

4Х4

-

80

Таблица 5. Основные характеристики некоторых

отечественных гамма-аппаратов

Источ-ник излуче-ния

Тип аппарата

Диаметр активной части, мм

Мобиль-ность

Рассто-яние от пульта до ра-диаци-онной голов-ки, мм

Масса аппа-рата, кг

Толщина просве-чиваемой стали, мм

У н и в е р с а л ь н ы е ш л а н г о в ы е

Тулий-170

«Гаммарид-11»

3

Перенос-ный

5

10,5

1 - 15

Цезий-137

«Гаммарид-21»

3

Перенос-ный

5

16

6—50

Цезий-137

«Гаммарид-23»

5

Перенос-ный

8

19

15—80

Цезий-137

«Гаммарид-25»

5

Перенос-ный

13

19

15—80

Кобальт-60

РИД-41

7

Передви-жной

50

45

30—200

З а т в о р н ы е

Цезий-137

«Магис-траль-1»

5

Передви-жной

30

35

15 - 80

Тулий-170

РИД-12

9

Перенос-ный

5

11

1—15

Кобальт-60

РИД-32

7

Передви-жной

30

295

30—200

Кобальт-60

РИД-44

15

Стацио-нарный

50

620

30—200

Иридий-192

«Гаммарид-20»

3

Перенос-ный

8

15

6—60

Иридий-192

«Стапель-5»

1,5

Перенос-ный

3,5

11,5

6—40

Иридий-192

«Стапель-20»

3

Перенос-ный

30

24

6—40

Выбор источника производится по заданной чувствительности, плотности и толщине контролируемого материала, конфигурации детали и технологических условий производства контроля (стационарных или полевых условиях, открытых или труднодоступных местах и т. д.).

Например, для контроля изделий, в которых допускаются дефекты большого размера, наиболее целесообразно применять изотопы с жесткой энергией, обеспечивающие малое время в экспозиции. Для изделий ответственного назначения используются источники с мягким излучением, но с большой длительностью просвечивания. Накоплен опыт, позволяющий быстро ориентироваться в выборе источника по толщине и плотности свариваемого материала. В качестве примера в таблице 6 приведены аппараты ионизирующих излучений, применяющихся при сварке стальных конструкций в толщинах от 4 до 200 мм.

Выбор фотопленки осуществляется по толщине и плотности контролируемого материала с учетом заданной чувствительности. В первом приближении выбор осуществляется по номограмме (см. рис. 22). На номограмме заштрихованы области, в пределах которых применяется так же другая пленка, в зависимости от толщины контролируемого материала и напряжения на трубке выбранного источника. В соответствии с накопленным опытом или действующими рекомендациями к пленке, подбирают соответствующий экран, или экспозицию производят без него.

 

Рис. 22. Номограммы областей применения

радиографических пленок при просвечивании стали:

1 — РТ-5, РТ-4; 2 —РТ-1, РТ-З; 3 — РТ-2

Таблица 6. Область применения ионизирующего

излучения в дефектоскопии

Толщина

стали,

мм

Исто-чник

Гамма-излучение

Рентгеновское излучение

Энергия, кэВ

Аппарат

Напряжение, кB

Аппарат

4

145Sm

155Eu

39, 62,

84, 102

РК-2

ГУП-0,5-3

10 - 60

50 - 80

35 - 80

РУТ-60-20-1

РУП-120-5-1

РУП-150-IO-l

РИНА-1Д

1 - 20

170Тm

53, 84

РК-2

ГУП-0,5-3 РИД-21М

60 - 120

60 - 140

60 - 140

220 - 280

300 - 350

РУП-120-5-1

РУП-150-10-1

РУП-200-5-1

ИРА-1Д

ИРА-2Д

2 - 40

75Se

75, 130, 280, 405

РК-2

ГУП-0,5-3 РИД-21М

90 - 180

90 - 180 300 - 350

РУП-150/300-10-1

РУП-200-20-5

ИРА-2Д

10 - 60

 I92Ir

295, 316, 468, 604

РУП-5-2

РИД-11

РИД-21М

«Стапель-5»

140 - 200

140 - 300 250 - 400

РУП-200-20-1

РУП-150/300-10

РУП-400-5-1

30 -100

137Cs

I52Eu

661, 122, 344, 963

1405

«Газпром»

«Трасса»

«Нева»

ГУП-0,5-2

ГУП-50-3

180 - 300 250 - 400

250 - 100

РУП-150/300-10

РУП-400-5-1

РДТ-1

60 -200

60Co

1170, 1330

ГУП-1,5-3

ГУП-5-2

ГУП-50-2

«Кама»

250 - 400 250 - 100

РУП-400-5-1

РТД-1

Далее выбирается одна из схем контроля (см. рис. 23), и по документам устанавливается фокусное расстояние. Длина контролируемого за одну экспозицию участка (если последние прямолинейны или близки к таковым) должна быть не более L ≤ F, где F – фокусное расстояние. После выполнения этих операций производится подбор экспозиции.

Подбор экспозиции при просвечивании изделий производится по номограммам (см. рис. 24).


Рис. 23. Схемы контроля сварных соединений

Как видно из рисунка 24, напряжение в трубках рентгеновских аппаратов и ток канала катода могут регулироваться в широких пределах.

В условиях эксплуатации регулирование потока энергии рентгеновского излучения осуществляется анодным напряжением, снимаемым с высоковольтного трансформатора, а интенсивность рентгеновского излучения изменением тока накала катода. Поэтому параметры каждой точки номограммы рис. 24а могут быть воспроизведены несколькими источниками рентгеновского излучения. 

Рис. 24. Номограммы для определения времени экспозиции просвечивания стали: а — рентгеновским излучением при F = 750 мм и пленке РТ-1, б — гамма излучением при пленке РТ-1 и F = 500 мм; 1 — тулий, 2 — стронций-75, 3 — иридий-192, 4 — цезий-135, 5—европий-152, 6 — кобальт-60

Нахождение экспозиции рентгеновского контроля осуществляется путем перемещения по вертикальной линии номограммы (см. рис. 24), характеризующей толщину просвечиваемого металла снизу вверх до точки, в которой эта линия пересечется с наклонной линией, характеризующей напряжение на трубке вашего рентгеновского аппарата. Через точку пересечения необходимо провести горизонтальную прямую до пересечения с осью экспозиции, которая характеризуется током накала катода и временем просвечивания. Значение экспозиции, приведенное на вертикальной оси рисунка 24а, делится на ток накала катода в мА и определяется время экспозиции в минутах. Если полученные величины параметров соответствуют вашему аппарату (при соответствующем времени экспозиции), то нахождение оптимального режима просвечивания завершено. Если не соответствует – поиск можно продолжить, переходя на точки с пересечением наклонных прямых выше или ниже первоначальной.

При определенной таким образом экспозиции, производятся пробные снимки, по которым корректируются параметры контроля. Подобным образом находятся и параметры экспозиции по рисунку 24б для просвечивания гамма – дефектоскопами.

Подготовка контролируемого объекта к просвечиванию производится следующим образом. Контролируемое место тщательно осматривают и при необходимости очищают от шлака и грязи. Наружные дефекты удаляют, т. к. они могут исказить снимок. Соединение разбивают на участки контроля и маркируют. Такую же маркировку из свинцовых знаков закладывают в пакеты с пленками вместе со знаками маркировки эталонов чувствительности. Пленки располагают под поверхностью детали, через которую проходит ионизационное излучение, а эталоны чувствительности - на поверхности детали, обращенной к источнику излучения. Для крепления кассет с пленками существуют специальные магнитные держатели, присоски, пояса, ремни.

Негатоскоп

После просвечивания пленки поступают на фотообработку, где их проявляют, фиксируют (закрепляют), снова промывают и просушивают. После фотообработки пленка поступает на расшифровку. Расшифровка производится на негатоскопе – устройстве, оборудованном матовыми стеклами и лампами рассеянного света.

Расшифровка радиограмм производится в три этапа. На первом этапе по визуализации элемента чувствительности в соответствии с ГОСТ 7512-82 устанавливается пригодность пленки для достоверной оценки, на микрофотометрах и денситометрах оценивают оптическую плотность, которая должна находиться в пределах 1,4 - 4, проверяют наличие изображения на снимке маркировочных знаков. Заключение о качестве проконтролированного сварного соединения делается в соответствии с техническими условиями (ТУ) на изготовление и приемку изделия.

Для сокращения записи результатов контроля применяют следующие обозначения обнаруженных на пленке дефектов: Т – трещина, Н – непровар, П – поры, Ш – шлаковые включения, В – вольфрамовые включения, Пдр – подрезы, Скр – смещение кромок, О – оксидные включения.

По характеру распределения дефекты объединяются в следующие группы: отдельные дефекты, цепочка дефектов, скопления дефектов. К цепочке относятся дефекты, расположенные на одной линии в количестве не менее трех с расстоянием между ними равным трехкратной величине дефекта или меньше. К скоплениям относятся кучно расположенные дефекты, в количестве не менее трех, с расстоянием между ними равным трехкратной величине дефекта или меньше. За размер дефекта принимают его наибольшую линейную величину на снимке в мм. При наличии группы дефектов разных размеров указывают средний или преобладающий размер дефекта в группе, а также общее число дефектов.

Технология радиоскопического и

радиометрического контроля

Радиоскопия – это метод контроля, основанный на просвечивании контролируемых объектов рентгеновским излучением с последующим преобразованием радиационного изображения объекта в цифровое или электронное, и передачей этого изображения на расстояние для визуального анализа на выходных экранах.

Целесообразность применения метода обосновывается тем, что его чувствительность, по сравнению с радиографическим, примерно в 2 раза ниже, а производительность - в 3 - 5 раз выше. В отличие от радиографического, этот метод позволяет контролировать изделие, перемещающееся относительно входного экрана со скоростью 0,3 - 1,5 м/мин.

В качестве преобразователей радиационного изображения в световое или электронное, применяют флуороскопический экран, сцинтилляционный кристалл, электронно–оптическое устройство и реже - электролюминесцентный экран.

Флуороскопический экран представляет собой картонную основу, на которую наносят люминофор, представляющих собой, например, смесь кристаллов сульфида цинка (ZnS) и сульфида кадмия (CdS), активизированных серебром. При взаимодействии радиационного излучения с люминофором возникает свечение в зеленой или желто-зеленой части видимого спектра. Это свечение используется для визуализации картины просвечивания или ретрансляции этой картины посредством электронно-оптических преобразователей (ЭОП). 

Сцинтилляционные кристаллы представляют собой монокристаллы неорганического (щелочно-галоидные) и органического (антрацены) происхождения. Принцип действия кристаллов основан на способности светиться кратковременными вспышками (порядка 100 мс – 1 нс) при воздействии на них радиационного излучения. Разрешающая способность сцинтилляционных кристаллов превосходит разрешающую способность флуоресцентных экранов. Их широко применяют в рентгено-телевизионных установках типа «Интроскоп».

Электролюминесцентные экраны основаны на свечении некоторых люминофоров под действием переменного электрического поля. Эти экраны состоят из двух проводящих покрытий – фотопроводникового и люминесцентного – к которым подводится высокое напряжение. В процессе облучения сопротивления этих покрытий резко изменяются, что и приводит к возникновению свечения на экране. Эти экраны используются в качестве преобразователей, увеличивая яркость изображения в 100 раз.

Как флуороскопический экран, так и сцинтилляционный монокристалл не могут обеспечить оптимальную для расшифровки яркость изображения. Поэтому разработаны специальные усилители рентгеновского изображения – рентгеновские электронно-оптические преобразователи (РЭОП) (см. рис. 25).

Рис. 25. Схема электронно-оптического преобразователя:

1 — источник излучения, 2 — свинцовая диафрагма,

3 — просвечиваемый объект, 4 — стеклянная вакуумная трубка, 5 — алюминиевая подложка,

6 — флуороскопический экран, 7 — фотокатод,

8, 9 — выходные экраны, 10 — оптика, 11 — передающая телекамера, 12 — анод, 13 — металлизированное покрытие, 14 — экран телевизора

В РЭОПе совмещены флуороскопический экран (преобразователь радиационного изображения в оптическое) и фотокатод 7 (преобразователь оптического изображения в электронное). Фотокатод под действием люминофора испускает электроны в количестве, пропорциональном интенсивности свечения. Электроны, ускоренные по энергии в 104 раз, фокусируются на выходных экранах 8 и 9, где посредством люминофора электронное изображение преобразуется в оптическое.

Усиление яркости изображения в 100 раз достигается за счет ускоряющего напряжения между экранами 6, 7 и 8, 9, а также в 16 раз за счет уменьшения изображения в 4 раза. На выходном экране 10 фиксируется оптическое изображение, или с помощью телекамеры 11 передается на видеоканальное устройство – экран 14.

Радиометрический метод основан на преобразовании плотности потока или спектрального состава у прошедшего через изделие излучения в пропорциональный электрический сигнал.

В качестве источников излучения в радиометрии применяют гамма-изотопы, ускорители и реже рентгеновские аппараты. Детекторами излучения являются сцинтилляционные кристаллы с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), ионизационные камеры и газоразрядные счетчики, о которых говорилось выше.

Узкий (коллимированный) пучок ионизирующего излучения (см. рис. 26) перемещается по контролируемому объекту, последовательно просвечивая все его участки. Излучение, прошедшее через объект, регистрируется счетчиком, на выходе которого образуется электрический сигнал с величиной, пропорциональной интенсивности поступающего излучения. Этот электрический сигнал регистрируется самописцем,осциллографом, миллиамперметром, или другим аналогичным прибором.

Радиометрические методы позволяют определить две координаты дефекта – протяженность и его лучевой размер. Однако радиометрические методы не позволяют однозначно судить о характере дефекта, т. к. разные дефекты могут порождать одинаковые электрические сигналы на выходе детектора.

Преимущества радиометрии: высокая чувствительность (0,3 – 3 %), возможность бесконтактного контроля, сравнительно с радиографией - высокая производительность. Недостатки: необходимость в процессе сканирования одновременного перемещения относительно контролируемого изделия, расположенного по разные стороны от него источника и детектора.

В промышленности при контроле стальных изделий толщиной до 100 мм применяют установки РДР-21; при толщинах до 200 мм – РДР-25; до 1000 мм - РД-10Р.

 

Рис. 26. Схема радиометрического метода контроля:

1 — источник излучения, 2 — коллиматоры, 3 — контролируемый объект, 4 — направления перемещения, 5 — сцинтилляционный кристалл, 6 — фотоэлектронный умножитель, 7 — усилитель,

8 — регистрирующий прибор

Техника безопасности при радиационных методах контроля

Приборы, применяющиеся при радиационной дефектоскопии, в процессе работы находятся под напряжением (рентгеновские дефектоскопы, линейные ускорители, микротроны, бетатроны). Поэтому при их эксплуатации должны строго соблюдаться «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» и «Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей», утвержденные Госгортехнадзором России. Обслуживание установок с рабочим напряжением более 1000 В относится к группе наиболее опасных работ. Поэтому работники, обслуживающие радиационные дефектоскопы, должны проходить специальное обучение и аттестовываться в соответствии с квалификационными группами персонала по технике безопасности.

Неисправность электроустановок, повреждение изоляции может явиться причиной возгорания. Тушение таких пожаров можно производить только при отключенных установках. Исключение составляют углекислотные огнетушители, т. к. углекислота не проводит электрический ток. При подготовке к проведению дефектоскопии, необходимо обеспечить пожарную безопасность в соответствии с «Типовыми правилами пожарной безопасности для промышленных предприятий», утвержденными Главным управлением пожарной охраны МВД.

Ионизирующее излучение вызывает особые химические и биологические процессы в клетках ткани живого организма. Поэтому при радиационной дефектоскопии необходимо соблюдение «Основных санитарных правил работы с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений» (ОСП-72) и «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-69) В соответствии с НРБ установлены предельно допустимые дозы и пределы дозы излучения. Предельно допустимой дозой (ПДД) называется годовой уровень облучения персонала, не вызывающий при равномерном накоплении дозы в течение 50 лет неблагоприятных изменений в состоянии здоровья самого облучаемого и его потомства. Пределом дозы называют допустимый среднегодовой уровень облучения отдельных лиц из населения, контролируемый по усредненным дозам внешнего излучения радиоактивными выбросами и радиоактивной загрязненностью объектов внешней среды.

По нормам и правилам установлены следующие категории облучаемых лиц: категория А - персонал объекта с ионизирующим излучением; Б - отдельные лица из населения, работающие в помещениях (или на территории), смежных с объектом с ионизирующим излучением; В - население в целом. Предельно допустимой дозой персонала категории А является 5 бэр/год. Бэром (биологическим эквивалентом рентгена) называют такое количество энергии, поглощенное в 1 г ткани, при котором наблюдается эквивалентный биологический эффект, что и при поглощенной дозе в 1 рад рентгеновского или гамма-излучения. Рад - внесистемная единица, которая соответствует следующей поглощенной дозе: 1 рад = 10-2 Дж/кг. Предельно допустимой дозой поглощенного излучения для лиц категории В является 0,5 бэр/год.

Среди лиц категории А выделены 2 группы.

1). Лица, у которых дозы облучения из-за особенностей работы могут превышать 0,3 годовой ПДД;

2). Лица, у которых по характеру работы дозы облучения не могут превышать 0,3 ПДД.

Для лиц первой группы требуется индивидуальный дозиметрический контроль и специальное медицинское наблюдение, дли лиц второй группы - не требуется.

На предприятиях, где применяются радиоактивные вещества или источники ионизирующего излучения, хранение их должно производиться в специальных помещениях - хранилищах, а эксплуатация - также в специальных рабочих помещениях. В тех и других помещениях должен быть предусмотрен специальный комплекс мероприятий, снижающих ионизационное излучение.

Наиболее распространенным способом защиты от ионизационного излучения является экранирование - ослабление излучения слоем тяжелого материала. В качестве материала для защитных устройств применяют свинец, свинцовое стекло, вольфрам, барит, бетон, кирпич и другие материалы. При расчете толщины защитного слоя из какого либо материала предварительно определяют необходимую толщину свинца для заданных условий работы, а затем находят эквивалентную толщину защитного слоя применяемого материала. Защита должна снижать дозы на рабочих местах до 2,8 мбэр/ч. В смежных с рабочими помещениях доза облучения не должна превышать 0,28 мбэр/ч. Перезарядка источников гамма-излучения должна производиться специальной организацией. При транспортировке радиоактивных источников должны соблюдаться требования «Правил безопасности при транспортировке радиоактивных веществ» (ПБТРВ-73 №1139-73). Транспортировка должна осуществляться двумя лицами.

Безопасность проведения работ по радиационной дефектоскопии в значительной мере зависит от правильной организации и своевременного контроля условий работы. С этой целью проводят дозиметрический контроль, который позволяет установить надежность защиты и дозу излучения, получаемую работниками дефектоскопических лабораторий. Величина и мощность дозы излучения измеряются дозиметрами, радиометрами и т. д. По назначению эти приборы подразделяются на две группы: прибор для индивидуального контроля и прибор для измерения мощности доз излучения. Приборы индивидуального контроля измеряют суммарную дозу облучения, получаемую работником в течение дня или недели. На практике применяют дозиметры типов КИД-2, КФКУ-1, ЛК-02 и др. Дозиметрический контроль помещений осуществляют приборами типа КУРА-1. Боксы, камеры и рабочие комнаты оборудуют сигнально-измерительными дистанционными приборами типа УСИТ-2, обеспечивающими сигнализацию о превышении предельно допустимых мощностей доз в контролируемой зоне.

РАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

При выборочном контроле материалов, поступающих на предприятие-изготовитель продукции, производятся механические испытания сварного соединения. Основные методы определения механических свойств сварного соединения и его отдельных зон устанавливает ГОСТ 6996-66, а так же общегосударственные, отраслевые и производственные стандарты.

Механические испытания по характеру нагружения подразделяются на статические, динамические и усталостные. При этом статические и усталостные испытания могут производиться при плоском и объемном нагружении.

При статических испытаниях усилие плавно возрастает и длительное время остается постоянным. К статическим относятся испытания стыкового соединения на растяжение, на изгиб, на ползучесть и т. д.

При испытании на растяжение определяют временное сопротивление в, предел текучести 02, относительное удлинение  и относительное сужение .

Временное сопротивление в сварных соединений определяют на образцах двух типов - без снятого усиления и со снятым усилением шва. В первом случае определяется работоспособность сварного соединения в целом, и результат считается положительный, если разрушение образца происходит по основному металлу или по шву при всс ≥ вом. При снятом усилении шва и со специальной выточкой определяется в металла шва.

Под условным пределом текучести 02 понимают напряжение, при котором образец получает деформацию, равную 0,2 % первоначальной длины. Эта деформация считается упругой, т. к. после снятия нагрузки образец сокращается до первоначальной длины.

Знание истинных величин в необходимо, т. к. нагрузки, при которых определяются параметры сварного соединения, устанавливаются по величине в с поправочным коэффициентом, учитывающим особенности работы сварного соединения.

Относительное удлинение  и сужение  определяются как отношение абсолютного остаточного удлинения и сужения к первоначальной длине и поперечному сечению образца.

Испытание на изгиб применяют для определения пластичности сварного соединения в целом. В процессе испытания нагрузка и угол загиба увеличиваются до образования первой трещины в любом месте образца.

При испытании односторонних швов в растянутой зоне должен располагаться верхний слой металла шва, а при многослойных швах - шов, заваренный последним. Для ответственных изделий считается удовлетворительным угол загиба 120 - 1800.

К динамическим испытаниям относятся испытания на ударный изгиб и подрыв.

Испытания на ударный изгиб проводят для определения ударной вязкости при заданной температуре. Испытания производят на образце с надрезом, имеющим форму полукруга, квадрата или пирамидки с основанием на поверхности образца. В зависимости от назначения свариваемого или основного материала перед испытанием образцы подогревают или охлаждают до определенной температуры. Испытания производятся на маятниковых копрах с различной предельной энергией.

Ударная вязкость определяется как отношение работы, затраченное на излом образца к площади его поперечного сечения в месте до испытания (Дж/см2).

В зависимости от назначения проводимого испытания надрез располагают на оси сварного шва, в зоне сплавления или в зоне термического влияния. После испытания исследуют структуру излома. Если размеры зерен неразличимы и излом матовый, то металл вязкий. Если в изломе различаются зерна и излом блестит - металл хрупкий. Таким образом определяется температурный интервал хрупкости материала.

Испытания на подрыв производят на щитах с двумя пересекающимися в центре швами.

Щит устанавливают на металлическое или бетонное основание, в центре которого находится отверстие 500 - 880 мм. Центр щита с пересечением швов совмещают с центром отверстия. На щит устанавливается бочка с поперечными размерами, незначительно меньшими щита. Бочка заполняется водой, и в ее центр устанавливается заряд. После подрыва щит ставится в вертикальное положение и производится визуальный осмотр поверхности щита в зоне подрыва со стороны, противоположной заряду. Испытания производятся до разрушения щита. При этом фиксируется появление первых и последующих трещин, разрушение и стрелки прогиба после каждого подрыва.

Под усталостью металла понимают процесс постепенного его разрушения под действием многократных повторных переменных нагрузок.

Испытания в зависимости от вида нагружения производят на круглых или плоских образцах (плоское нагружение на скручивание, растяжение и изгиб) или дисках плоской формы (объемное нагружение). Количественной оценкой усталостной прочности является число циклов, которое выдержал образец до разрушения при данной нагрузке.

Металлографический анализ

Металлографический анализ сварного соединения должен состоять из исследования макро- и микроструктуры сварного шва и зоны термического влияния, определения структуры основного металла и твердости сварного соединения (шва, ЗТВ и основного металла).

При исследовании макроструктуры сварных швов из контрольной сварной пластины вырезают темплеты, из которых изготавливаются продольные, поперечные и послойные макрошлифы. Шлифы подвергают травлению в специальных реактивах, состоящих из водного раствора азотной, серной, соляной, фосфорной, хромо-пикриновой и т. д. кислот с добавкой из галогенных, щелочных и других элементов. Хорошие результаты по выявлению макроструктуры дает глубинное травление. На протравленных шлифах исследуется макроструктура сварных соединений невооруженным глазом или с применением луп до тридцатикратного увеличения. Макроисследованием можно выявить форму и размеры шва, его строение, наличие в шве и основном металле различных дефектов: непроваров, трещин, шлаковых включений, пор и т. п. При макроисследовании так же устанавливаются участки, обогащенные серой и фосфором.

Микроструктуру сварного соединения исследуют на шлифах размером 20 х 20 мм. Обработка поверхности осуществляется в 3 этапа, и на последнем поверхность полируют на сукне раствором окиси хрома или окиси алюминия. Для выявления микроструктуры применяют малоактивные реактивы, обеспечивающие неглубокое травление на глубину не более 10 мкм. Исследование производят при увеличении на оптических микроскопах в 50 - 2000 раз и на электронных микроскопах при увеличении до 100000.

В процессе исследования устанавливается микроструктура металла шва, зоны сплавления и термического влияния, основного металла; устанавливается наличие закалочных структур, структур перегрева, размеры зерна, микроскопические трещины. Это позволяет оценить механические свойства сварного соединения.

Металлографические исследования заканчиваются измерением твердости сварного соединения. Определение твердости производится на поперечных макрошлифах в двух направлениях - по вертикальной оси шва и по нескольким сечениям, нормальным к оси шва. Измерение производится тремя способами.

1. Вдавливанием стального закаленного шарика диаметром 1,568 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120° (способ Роквелла).

2. Вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды с квадратным основанием с углами между прилегающими гранями 1360 и 44° (способ Виккерса),

3. Вдавливанием стандартного стального закаленного шарика определенного диаметра (способ Бринелля).

Химический анализ производят на сварочных и свариваемых материалах, у которых отсутствуют сертификатные данные, или в случае выборочного контроля материалов с сертификатными данными.

Существуют два принципиально различных метода определения химического состава сварочных и свариваемых материалов, а так же шва.

По первому методу из нужного материала отбирается проба и методами, совмещающими металлургические и химические приемы, определяется качественный и количественный химический состав этой пробы.

По второму методу химический состав определяют спектральным анализом. Сущность метода состоит в следующем. На поверхности образца кратковременно зажигают малоамперную дугу. Спектр этой дуги фотографируют. Так как все элементы, попадающие в пары металла дуги, имеют свои линии в общем спектре, то по качественному и количественному составу линии спектра и определяют химический состав материала. Пробы для химического анализа отбирают в виде стружки в соответствии с ГОСТ 7122-81 из шва, основного металла и т. д.

Испытания на коррозию

Испытания на коррозию проводят для определения коррозионной стойкости сварного соединения или отдельных его зон при работе в коррозионных средах. Различают испытания на общую (равномерную или неравномерную) и местную (межкристаллитную) коррозию.

Общая коррозия является результатом растворения металла в агрессивной среде. Она может быть равномерной, когда основной металл и металл шва за одинаковое время растворяются в одинаковых количествах. Неравномерной называется коррозия, при которой скорость разрушения отдельных частей сварного соединения (шва, линии сплавления, зоны термического влияния и т. д.) неодинаковы. Общая коррозия характерна для углеродистых и низколегированных сталей. Основные методы оценки коррозионной стойкости согласно ГОСТ 13819-68 следующие: весовой, профилографический, электрохимический и метод механических испытаний.

При весовом методе сваривают две пластины 50 х 200 мм и затем разрезают их поперек шва на темплеты шириной 15 мм. Образцы тщательно очищают и погружают в кипящий раствор азотной или серной и соляной кислот разной концентрации. По истечении времени от 6 до 48 часов (в зависимости от материала и концентрации раствора) образцы вынимают и взвешивают.

По профилографическому методу степень коррозии сварных соединений определяют посредством сопоставления профилограмм торцевой поверхности образца до и после воздействия на металл агрессивной среды. Профилограмма выполняется стрелочным индикатором.

При электрохимическом методе коррозионную стойкость определяют по разности потенциалов между отдельными зонами сварного соединения в той или иной коррозионной среде.

Метод механических испытаний на растяжение и изгиб заключается в сравнении прочностных и пластических свойств образцов до и после коррозионной обработки (кипячения).

Местная коррозия может развиваться в зоне термического влияния основного металла на некотором удалении от шва, по линии сплавления (так называемая ножевая коррозия) и в металле шва. Местная коррозия развивается из-за нагрева отдельных зон сварного соединения до определённых температур.

Согласно ГОСТ 6032-75 существуют следующие методы оценки местной коррозии: А, АМ, В, Г и Д. По методам А, АМ, В и Г образцы кипятят в растворах кислот и солей в течение определенного времени, после чего промывают, просушивают и подвергают изгибу на 90°. Наличие сетки трещин на месте изгиба свидетельствует о склонности сварного соединение к местной коррозии. По методу Д также производят кипячение образцов в 65 % растворе азотной кислоты в 3 цикла по 48 часов. Коррозионная стойкость определяется по скорости коррозии в г/м2*ч.

Статистический контроль

Статистический контроль в условиях производства основан на использовании методов математической статистики для обработки данных неразрушающего контроля. Различают два вида статистического неразрушающего контроля: статистическое регулирование качества и выборочный контроль.

Данные неразрушающего контроля, обработанные с помощью методов математической статистики в производстве могут быть использованы для корректировки параметров технологических процессов с целью обеспечения требуемого качества и предупреждения брака. Такую корректировку и называют статистическим регулированием качества.

Методы математической статистики позволяют оценить процент или долю брака в партии продукции по результатам контроля выборки. Возникновение дефектов носит вероятностный характер, поэтому установившийся производственный процесс характеризуется средними значениями процента брака и средними квадратичными отклонениями значений, исследуемых величин от среднего значения процента брака. В таком случае ход производственного процесса отражается на специальных картах. По данным карт строятся диаграммы, на которые наносится средний и максимально допустимый уровень брака, которые принимаются за базовые для производственного цикла данного изделия. По диаграмме определяется уровень качества, а, следовательно, если брак очередной выборки находится между линиями диаграммы, то процесс является удовлетворительным, если поднимается за максимально допустимый уровень - процесс неудовлетворительный и необходимо искать причины брака или корректировать технологический процесс. Система статистического предупредительного контроля обеспечивает переход от пассивного контроля к активному управлению качеством сварочных работ, позволяет планировать и прогнозировать это качество, используя базовые показатели для экономического и морального стимулирования отдельных исполнителей и служб.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67426. ВВЕДЕНИЕ В ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ. ПРЕДМЕТ, СОДЕРЖАНИЕ И СВЯЗЬ С ДРУГИМИ НАУКАМИ 564 KB
  Предметом экономического анализа может быть экономика объектов от страны в целом и до отдельного рабочего места. Чаще всего предметом такого анализа является экономика отдельного предприятия фирмы которая рассматривается во взаимодействии с технической стороной производства и экономической политикой государства.
67427. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СРЕДСТВ ТРУДА 97.5 KB
  Классификация оборудования Активная часть основных производственных фондов энергетическое и производственное оборудование играет определяющую роль в производственном процессе и как следует из схемы на рис. Кроме двигателей в состав энергетического оборудования входят котлы...
67428. Анализ трудовых ресурсов 67 KB
  Анализ трудовых ресурсов один из основных разделов анализа работы предприятия. Достаточная обеспеченность предприятий трудовыми ресурсами высокий уровень производительности труда имеют большое значение для увеличения объемов производства. Основные задачи анализа трудовых ресурсов...
67429. АНАЛИЗ МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ПРЕДПРИЯТИЯ 55 KB
  Материальные затраты составляют значительную долю всех затрат на производство продукции работ услуг Рациональное использование материалов один из важнейших факторов роста производства и снижения себестоимости продукции следовательно роста прибыли и уровня рентабельности.
67430. АНАЛИЗ ЗАТРАТ НА ПРОИЗВОДСТВО ПРОДУКЦИИ 104 KB
  Цели задачи и виды анализа затрат на производство продукции Выявление роли себестоимости продукции в условиях применения свободных договорных цен имеет существенное практическое значение для всех производственных структур. Предприятия должны самостоятельно планировать свою деятельность...
67431. АНАЛИЗ ОБЪЕМА ПРОИЗВОДСТВА И РЕАЛИЗАЦИИ ПРОДУКЦИИ 140 KB
  Основные задачи анализа объема производства и реализации продукции: оценка динамики основных показателей объема структуры и качества продукции; проверка сбалансированности и оптимальности намечаемого вида продукции а также оценка реальности и напряжённости производственных показателей...
67432. АНАЛИЗ ФИНАНСОВЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЯ 221 KB
  Сумма прибыли и уровень рентабельности являются основными показателями, характеризующими финансовые результаты предприятия. Чем больше величина прибыли и выше уровень рентабельности, тем эффективнее функционирует предприятие и устойчивее его финансовое состояние.
67433. ОБОСНОВАНИЕ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ МАРЖИНАЛЬНОГО АНАЛИЗА 146.5 KB
  Сущность и значение маржинального анализа Большую роль в обосновании управленческих решений в бизнесе играет маржинальный анализ методика которого базируется на изучении соотношения между тремя группами важнейших экономических показателей: издержки объем производства реализации продукции...
67434. ФИНАНСОВЫЙ АНАЛИЗ ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ 118.5 KB
  Наиболее общими факторами достижения целей инвестирования являются: Сбор необходимой информации для разработки бизнес-плана инвестиционного проекта Изучение и прогнозирование перспектив рыночной конъюнктуры Выбор стратегии и тактики поведения на рынке инвестиционных товаров...