Министерство транспортаРоссийской Федерации
Федеральное агентствожелезнодорожного транспорта
Государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования
«Омский государственныйуниверситет путей сообщения»
Кафедра «Вагоны ивагонное хозяйство»
Тематический реферат подисциплине
«Основы техническойдиагностики»
«МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕОБЕСПЕЧЕНИЕ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ»
Омск 2009
Содержание
Введение. 3
1 Методы неразрушающего контроля (НК) 4
1.1 Магнитный вид НК… 5
1.2 Электрический вид НК… 9
1.3 Вихретоковый вид НК… 10
1.4 Радиоволновый вид НК… 12
1.5 Тепловой вид НК… 12
1.6 Оптический вид НК… 13
1.7 Радиационный вид НК… 14
1.8 Акустический вид НК… 16
1.9 НК проникающими веществами. 19
2Классификацияфизических методов неразрушающего контроля сварных соединений. Метрологическоеобеспечение средств контроля. 21
2.1 Магнитный вид НК… 22
2.2. Вихретоковый вид НК… 23
2.3 Тепловой вид НК… 23
2.4 Оптический вид НК… 24
2.5 Радиационный вид НК… 24
2.6 Акустический вид НК… 25
2.7 НК проникающими веществами. 25
3 Стандартизация неразрушающего контроля. 28
4 Эффективность комплексного применения методов НК… 31
5 Метрологическое обеспечение средств неразрушающегоконтроля. 33
Заключение. 35
Библиографический список. 37
Введение
Припроведении мониторинга технического состояния (ТС) изделий, одной из наиболее актуальныхявляется задача объективного своевременного обнаружения дефектов различной природыи организация контроля за развитием дефектов из-за старения элементов приэксплуатации. Одним из путей предотвращения нежелательных последствий отэксплуатации изделий с дефектами является систематичное использование методовНК. Дефектом, согласно нормативно-технической документации (НДТ) (ГОСТ 17-102),называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям. Однако впрактике применения средств неразрушающего контроля нет полного соответствияпонятия «дефект» определению по ГОСТ. Обычно под дефектом понимают отклонениепараметра от требований проектно-конструкторской документации, выявленное средстваминеразрушающего контроля. Связь такого понятия с определением по ГОСТустанавливается путем разделения дефектов на допустимые требованиям НТД инедопустимые.
Обобщая, здесьи далее е под дефектом будем понимать физическое проявление изменения характеристикобъекта контроля с параметрами, превышающими нормативные требования. Попроисхождению дефекты подразделяют на производственно-технологические,возникающие в процессе проектирования и изготовления изделия, его монтажа и установки,и эксплуатационные, возникающие после некоторой наработки изделия в результатепроцессов деградации, а также в результате неправильной эксплуатации иремонтов.
1 Методынеразрушающего контроля (НК)
Методы НКразделяют на группы, называемые видами, объединенные общностью физическихпризнаков. Существует девять различных видов НК: магнитный, электрический,вихретоковый, радиоволновый, тепловой, оптический, радиационный, акустический ипроникающими веществами. Методы каждого вида НК классифицируют по рассматриваемымниже признакам.
Характервзаимодействия поля или вещества с объектом контроля (ОК). Взаимодействиедолжно быть таким, чтобы контролируемый признак объекта вызывал определенныеизменения физического поля или состояния вещества. Например, чтобы наличиенесплошности вызывало изменение прошедшего через нее излучения илипроникновение в нее пробного вещества. В некоторых случаях используемое дляконтроля физическое поле возникает под действием других физических эффектов,связанных с контролируемым признаком. Например, электродвижущая сила,возникающая при нагреве разнородных материалов, позволяет контролироватьхимический состав материалов (термоэлектрический эффект).
Первичныйинформативный параметр – конкретный параметр поля или вещества (амплитуда поля,время его распространения, количество вещества и т.д.), изменение которогоиспользуют для характеристики контролируемого объекта. Например, наличиенесплошности увеличивает или уменьшает амплитуду прошедшего через нееизлучения.
Способполучения первичной информации – конкретный тип датчика или вещества, которыеиспользуют для измерения и фиксации упомянутого информационного параметра.
1.1Магнитный вид НК
Магнитный виднеразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля сконтролируемым объектом. Как правило, его применяют для контроля объектов изферромагнитных материалов. По характеру взаимодействия физического поля собъектом этот вид контроля не дифференцируют: во всех случаях используют намагничиваниеобъекта и измеряют параметры, используемые при контроле магнитными методами.Процесс намагничивания и перемагничивания ферромагнитного материаласопровождается гистерезисными явлениями (рис. 1). Свойства, которые требуетсяконтролировать (химический состав, структура, наличие несплошностей и др.),обычно связаны с параметрами процесса намагничивания и петлей гистерезиса.
/> />
Рисунок 1 –Кривые намагничивания ферромагнитных материалов:
а –магнигожесткого, б – магнитомягкого (1 – основная кривая намагничивания, 2 –петля гистерезиса, 3 – скачкообразный характер намагничивания, наблюдаемый приточных измерениях)
Магнитожесткиематериалы (закаленная сталь) по сравнению с магнитомягкими материалами(незакаленная сталь) имеют большую коэрцитивную силу Нс, меньшую магнитнуюпроницаемость /> инамагниченность />(/> = />– магнитная постоянная.Обычно /> и I для характеристикиматериала ферромагнетика измеряют при малой напряженности намагничивающего поляH. В некоторых случаяхизмеряют и остаточную намагниченность/>. Этипервичные информативные параметры используют для контроля степени закалки,прочностных характеристик и других свойств. Наличие и количество ферритнойсоставляющей в неферромагнитном материале могут быть определены понамагниченности насыщения />, т. е.при сильных полях намагничивания. Эта величина тем больше, чем большесодержание феррита.
Магнитныеметоды применяют для измерения толщины нефер-ромагнитного покрытия наферромагнитном основании. В качестве первичного информативного параметра в этомслучае используют поток магнитного поля. П-образный магнит помещают наповерхность объекта контроля с покрытием. Чем меньше толщина покрытия, тембольше магнитный поток через ферромагнитное основание и меньше рассеянный потокнад объектом контроля. Этот поток измеряют по напряженности поля под изделием.Другой способ оценки потоков основан на измерении силы, необходимой для того,чтобы оторвать некоторый пробный магнит от объекта контроля.
Высокоточноеизмерение кривой намагничивания показывает., что она имеет скачкообразныйхарактер (см. рис. 1, а) в области крутого подъема. Это так называемый эффектБаркгаузена. Скачки возникают в результате перемагничивания областейспонтанного намагничивания (доменов), содержащихся в ферромагнитном материале.Параметры скачков кривой намагничивания (их число, величина, длительность,спектральный состав) используют как первичный информативный параметр дляконтроля таких свойств материала, как химсостав, структура, степеньпластической деформации. Скачки сливаются в сплошной шум, если массанамагничиваемого материала велика, поэтому этот способ применяют к тонкимпроволокам, лентам.
Принамагничивании объекта контроля, вблизи поверхности которого имеетсянесплошность (дефект), в области дефекта происходит резкое пространственноеизменение напряженности магнитного поля, возникает поле рассеяния (рис. 2).Изменение напряженности магнитного поля, точнее градиента напряженности,используют как первичный информативный параметр для выявления дефектов.
/>/>
/>
Рисунок 2 –Способы намагничивания при выявлении несплощностей:
а – полюсный,б – циркулярный
Остаточноенамагничивание, коэрцитивную силу и магнитный поток часто оценивают попондеромоторному эффекту – взаимодействию (притяжению) пробного магнита и ОК.Информацию о магнитной проницаемости и ее изменении в зависимости отнапряженности магнитного поля получают с помощью катушки индуктивности(индуктивный метод).
Дифференциациюмагнитного вида неразрушающего контроля на различные методы по способуполучения первичной информации рассмотрим на примере применения различных типовдатчиков и веществ для обнаружения градиента магнитного поля вблизинесплошности. Градиент часто обнаруживают с помощью магнитного порошка илимагнитной суспензии. Их частицы располагаются вдоль линий магнитной индукцииполя рассеяния. Это магнитопо-рошковый метод, широко применяемый длядефектоскопии поверхностных и подповерхностных слоев ферромагнитных материалов.
Для надежноговыявления дефект должен пересекать линии магнитной индукции. Исходя из этого,для обнаружения различно ориентированных дефектов применяют разные направлениянамагничивания. На рисунке 2, а изделие (стержень) помещают между двух полюсовмагнита (полюсное намагничивание), что дает возможность выявить поперечныедефекты типа В. На рисунке 2, б через цилиндрический объект пропускаютэлектрический ток. Линии магнитной индукции образуют окружности в плоскости,перпендикулярной направлению тока (циркулярное намагничивание). Это даетвозможность выявить продольные дефекты типа С.
Магнитопорошковымметодом можно обнаруживать дефекты длиной около 0,5 мм, шириной 2,5 мм и более.При намагничивании постоянным магнитным полем выявляют дефекты, расположенныена глубине не более 2...3 мм от поверхности. При намагничивании переменнымполем максимальная, глубина выявляемых дефектов уменьшается.
Помимомагнитного порошка для регистрации рассеянного магнитного поля используютмагнитную пленку, подобную применяемой в магнитофонах, но более широкую(магнитографический метод). Считывание сигналов о дефектах с пленки выполняют спомощью прибора, датчиком которого служит магнитофонная головка. Этим методомобнаруживают дефекты в более толстом поверхностном слое, но теряют наглядностьих изображения, свойственную магнитопорошковому методу.
Дляиндицирования полей рассеяния на дефектах и измерения магнитных характеристикматериалов также используют датчики типа феррозондов (феррозондовый метод),преобразователей Холла, магниторезисторов (меняющих электросопротивление привнесении в магнитное поле).
Развитиемагнитного вида контроля идет по пути изыскания способов отстройки от мешающихфакторов, изучения особенностей магнитных полей изделий сложной формы, содержащихдефекты; разработки новых высокочувствительных преобразователей; использованияпотенциальных возможностей эффекта Баркгаузена, а также других магнитныхэффектов, таких, как ядерный магнитный резонанс (ЯМР).1.2Электрический вид НК
Электрическийвид неразрушающего контроля основан на регистрации параметров электрическогополя, взаимодействующего с контролируемым объектом (собственно электрическийметод), или поля, возникающего в ОК в результате внешнего воздействия (термоэлектрическийи трибоэлектрический методы). Первичными информативными параметрами являютсяэлектрическая емкость или потенциал.
Емкостныйметод применяют для контроля диэлектрических или полупроводниковых материалов.По изменению диэлектрической проницаемости, в том числе ее реактивной части(диэлектрическим потерям), контролируют химический состав пластмасс,полупроводников, наличие в них несплошностей, влажность сыпучих материалов идругие свойства.
Методэлектрического потенциала (электропотенциальный) применяют для контроляпроводников. Измеряя падение потенциала «а некотором участке, контролируюттолщину проводящего слоя, наличие несплошностей вблизи поверхности проводника.Электрический ток огибает поверхностный дефект, по изменению потенциала на участкес дефектом определяют глубину несплошности с погрешностью в несколькопроцентов.
Термоэлектрическийметод применяют для контроля химического состава материалов. Например, нагретыйдо постоянной температуры медный электрод прижимают к поверхности ОК и повозникающей контактной разности потенциалов определяют марку стали, титана,алюминия или другого материала ОК.
Существуеттакже ряд других электрических методов: экзоэлектронной эмиссии (эмиссия ионовс поверхности ОК под влиянием внутренних напряжений), электроискровой(измерения характеристик среды по параметрам электрического пробоя в ней),электростатического порошка. В настоящее время эти методы находят сравнительноузкое практическое применение, но интенсивно изучаются.1.3Вихретоковый вид НК
Вихретоковыйвид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия электромагнитногополя вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов,наводимых в контролируемом объекте. Его применяют только для контроля объектовиз электропроводящих материалов. Вихревые токи возбуждаются в объектепреобразователем в виде индуктивной катушки, питаемой переменным или импульснымтоком. Приемным преобразователем (измерителем) служит та же или другая катушка.Возбуждающую и приемную катушки располагают либо с одной стороны, либо поразные стороны от ОК.
Интенсивностьи распределение вихревых токов в объекте зависят от его размеров, электрическихи магнитных свойств материала, от наличия в материале нарушений сплошности,взаимного расположения преобразователя и ОК, т. е. от многих параметров. Этоопределяет большие возможности метода как средства контроля различных свойствобъекта, но в то же время затрудняет его применение, так как при контролеодного параметра другие являются мешающими. Для разделения параметровиспользуют раздельное или совместное измерение фазы, частоты и амплитудынапряжения измерительного преобразователя, подмагничивание ферромагнитных ОКпостоянным магнитным полем, ведут контроль одновременно на нескольких частотах,применяют спектральный анализ. Получаемые таким образом первичные информативныепараметры позволяют контролировать размеры изделий (толщину стенки приодностороннем доступе), определять химсостав и структуру материала ОК,внутренние напряжения, обнаруживать поверхностные и подповерхностные (наглубине нескольких миллиметров) дефекты.
Повзаиморасположению преобразователя и объекта различают проходные, погружные,накладные и экранные преобразователи (рис. 3). Последние предназначены для работыпо методу прохождения.
/>/>
Рисунок 3 –Некоторые типы вихретоковых преобразователей: а, б – проходные наружный ивнутренний, в – накладной, г – экранный (1 – контролируемый, объект, 2 –преобразователи)
Контрольвихревыми токами можно выполнять без непосредственного механического контактапреобразователей с объектом, что позволяет вести контроль при взаимномперемещении преобразователя и объекта с большой скоростью.
Развитиевихретокового вида контроля идет в направлениях изыскания путей контроляизделий сложной конфигурации и многослойных объектов, усовершенствованияспособов отстройки от мешающих параметров, разработки многодатчиковых имногочастотных систем для комплексного контроля свойств объекта.
1.4Радиоволновый вид НК
Радиоволновыйвид неразрушающего контроля основан на регистрации изменений параметровэлектромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с ОК. Обычно применяютволны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона длиной 1… 100 мм и контролируютизделия из материалов, где радиоволны не очень сильно затухают: диэлектрики(пластмассы, керамика, стекловолокно), магнитодиэлектрики (ферриты),полупроводники, тонкостенные металлические объекты. По характеру взаимодействияс объектом контроля различают методы прошедшего, отраженного, рассеянногоизлучения и резонансный. Первичными информативными параметрами служатамплитуда, фаза, поляризация, частота, геометрия распространения вторичныхволн, время их прохождения и др.1.5Тепловой вид НК
Тепловой виднеразрушающего контроля основан на регистрации изменений тепловых илитемпературных полей контролируемых объектов. Он применим к объектам из любыхматериалов. По характеру взаимодействия поля с ОК различают методы: пассивныйили собственного излучения (на объект не воздействуют внешним источникомэнергии) и активный объект нагревают или охлаждают от внешнего источника).Измеряемым информативным параметром служит температура или тепловой поток.
При контролепассивным методом измеряют тепловые потоки или температурные поля работающихобъектов с целью определения неисправностей, проявляющихся в виде местповышенного нагрева. Таким образом выявляют уменьшение толщины футеровкидоменных и мартеновских печей, места утечки теплоты в зданиях, участкиэлектроцепей и радиосхем с повышенным нагревом, находят трещины в двигателях ит. д.
При контролеактивным методом объект обычно нагревают и измеряют температуру или тепловойпоток с одной из сторон объекта. Это позволяет обнаруживать несплошности(трещины, пористость, инородные включения) в объектах, изменения в структуре ифизико-химических свойствах материалов по изменению теплопроводности,теплоемкости, коэффициенту теплоотдачи. Таким способом выявляют участки сплохой теплопроводностью в многослойных панелях. Неплотное прилегание слоев идефекты обнаруживают как участки повышенного или пониженного нагреваповерхности панели. Измерения температур или тепловых потоков выполняютконтактным или бесконтактным способом. В последнем случае передача теплотыпроисходит в основном за счет радиации, т. е. излучения электромагнитных волн винфракрасной или видимой части спектра в зависимости от температуры тела.Наиболее эффективным средством бесконтактного наблюдения, регистрациитемпературных полей и тепловых потоков является сканирующий тепловизор.1.6Оптический вид НК
Оптическийвид неразрушающего контроля основан на наблюдении или регистрации параметровоптического излучения, взаимодействующего с ОК. По характеру взаимодействияразличают методы прошедшего, отраженного, рассеянного и индуцированногоизлучения. Последним термином определяют оптические излучения объекта поддействием внешнего воздействия, например люминесценцию. Первичнымиинформативными параметрами служит амплитуда, фаза, степень поляризации, частотаили частотный спектр, время прохождения света через объект, геометрияпреломления и отражения лучей.
Оптическиеметоды имеют очень широкое применение благодаря большому разнообразию способовполучения первичной информации. Возможность их применения для наружногоконтроля не зависит от материала объекта. Самым простым методом являетсяорганолептическнй визуальный контроль, с помощью которого находят видимыедефекты, отклонения от заданных формы, цвета и т.д. Применение инструментов(визуально-оптический контроль) типа луп, микроскопов, эндоскопов для осмотравнутренних полостей, проекционных устройств для контроля формы изделий,спроектированных в увеличенном виде на экран, значительно расширяет возможностиэтого метода. Использование интерференции позволяет с точностью до 0,1 длиныволны контролировать сферичность, плоскостность, шероховатость, толщинуизделий. Дифракцию применяют для контроля диаметров тонких волокон, толщинылепт, форм острых кромок.
Оптическиеметоды широко применяют для контроля прозрачных объектов. В них обнаруживаютмакро- и микродефекты, структурные неоднородности, внутренние напряжения (повращению плоскости поляризации). Использование гибких световодов, лазеров,оптической голографии, телевизионной техники резко расширило область примененияоптических методов, повысило точность измерения.1.7Радиационный вид НК
Радиационныйвид неразрушающего контроля основан на регистрации и анализе проникающегоионизирующего излучения после взаимодействия его с ОК. В зависимости от природыионизирующего излучения вид контроля подразделяют на подвиды: рентгеновский,гамма-, бета- (поток электронов), нейтронный. В последнее время находятприменение потоки позитронов, по степени поглощения которых определяют участкиобъекта, обедненные или обогащенные электронами.
Наиболеешироко используют для контроля рентгеновское и гамма-излучения. Их можноиспользовать для контроля объектов из самых различных материалов, подбираяблагоприятный частотный диапазон. Напомним, что эти виды излучения являютсяэлектромагнитными волнами.
Всерассмотренные ранее виды контроля основаны на применении электромагнитногоизлучения. Частота колебаний повышалась от метода к методу. При контролемагнитными и электрическими методами использовались постоянные или медленноизменяющиеся поля. В вихретоковом контроле частоты достигали мегагерцевогодиапазона. Далее частота увеличивалась при использовании СВЧ, инфракрасного,оптического излучения. Рентгеновское и гамма-излучения являют-' ся наиболеекоротковолновыми из всех рассмотренных ранее: гамма-излучение имеет длину волны10-10… 10-13 м (частоту 3.1018…3.1021 Гц).
По характерувзаимодействия с ОК основной способ радиационного (рентгеновского) и гамма-контроля– метод прохождения. Он основан на разном поглощении излучения материаломобъекта и дефектом. Таким образом, информативный параметр здесь – плотностьпотока излучения: в местах утонений и дефектов плотность прошедшего потокавозрастает. Чем больше толщина ОК,
тем болеевысокочастотное (более жесткое) излучение применяют, для контроля:рентгеновское, гамма- (от распада ядер атомов), жесткое тормозное (отускорителя электронов: бетатрона, микротрона, линейного ускорителя). Предельноезначение толщины объектов из стали, контролируемых с помощью излученияпоследнего типа, – около 600 мм. Приемником излучения служат: рентгенопленка(радиографический метод), сканирующий сцинтилляционный счетчик частиц и фотонов(радиометрический метод), флуоресцирующий экран с последующим преобразованиемизображения в телевизионное (радиоскопический метод) и т. д. Наиболееперспективное направление развития радиационного контроля – вычислительнаятомография.
1.8Акустический вид НК
Акустическийвид неразрушающего контроля основан на регистрации параметров упругих волн,возникающих или возбуждаемых, в объекте. Чаще всего используют упругие волныультразвукового диапазона (с частотой колебаний выше 20 кГц), этот методназывают ультразвуковым. В отличие от всех ранее рассмотренных методов здесьприменяют и регистрируют не электромагнитные, а упругие волны, параметрыкоторых тесно связаны с такими свойствами материалов, как упругость, плотность,анизотропия (неравномерность свойств по различным направлениям) и др.
Акустическиесвойства твердых материалов и воздуха настолько сильно отличаются, чтоакустические волны отражаются от тончайших зазоров (трещин, непроваров) шириной10-6...10-4 мм. Этот вид контроля применим ко всемматериалам, достаточно хорошо проводящим акустические волны: металлам,пластмассам, керамике, бетону и т. д.
По характерувзаимодействия с ОК различают пассивный и активный методы. Пассивныйакустический метод предусматривает регистрацию упругих волн, возникающих всамом объекте. Шумы работающего механизма (особенно, если обеспечитьрегистрацию таких информативных параметров, как место их возникновения иамплитудно-частотная характеристика) позволяют судить об исправности механизмаи даже о характере неисправности. Этот пассивный метод акустического контроляназывают шумовибрационным. Многие машины снабжают датчиками, регистрирующимиуровень вибрации определенных узлов и прогнозирующими их работоспособность. Этовибрационный метод контроля или диагностики.
Перестройкаструктуры материала, вызываемая движением групп дислокаций, возникновением иразвитием трещин, аллотропическими превращениями в кристаллической решетке,сопровождается появлением упругих волн ультразвукового (реже звукового)диапазона. На использовании этих волн основан метод акустической эмиссии.Используя такие информативные параметры, как количество сигналов в единицувремени, их частота, амплитудное распределение, локация места возникновенияупругих волн, судят о состоянии материала, происходящих в нем изменениях,прогнозируют работоспособность конструкции.
Активныеультразвуковые методы применяются более широко. Для контроля используют стоячиеволны (вынужденные или свободные колебания объекта контроля или его части),бегущие волны по схемам прохождения и отражения. Методы колебаний используютдля измерения толщин при одностороннем доступе и контроля свойств материалов(модуля упругости, коэффициента затухания). Информативным параметром служатчастоты свободных или вынужденных колебаний и их амплитуды. Используют такжеметод (импедансный), основанный на измерении режима колебаний преобразователя,соприкасающегося с объектом. По амплитудам и резонансным частотам такогопреобразователя (часто имеющего вид стержня) судят о твердости материалаизделия, податливости (упругому импедансу) его поверхности. Податливость, вчастности, (улучшается под влиянием дефектов, близких к поверхности изделия.
Наиболееширокое распространение получил метод отражения, или эхометод (рис. 4).Преобразователь 1 возбуждает в объекте контроля 2 ультразвуковой импульс. Онотражается от нижней поверхности объекта или дефекта 3 и принимается тем же(или другим) преобразователем. Генератор электрических импульсов 6синхронизирован с генератором развертки 7 электронно-лучевой трубки 5.Отраженные сигналы усиливаются в 4 и вызывают появление на линии разверткипиков. На рисунке 4, а показаны посылаемый в изделие сигнал 8, эхосигнал отдефекта 9 и донный сигнал 10. Информативными параметрами в этом случае являютсяамплитуда и время прихода импульсов.
/> />
Рисунок 4 –Схема импульсного ультразвукового дефектоскопа:
а – контроль поковкипрямым преобразователем, б – контроль сварного шва наклонным преобразователем
Эхометодочень широко применяют для дефектоскопии металлических заготовок и сварныхсоединений (рис. 4, б), контроля структуры металлов, измерения толщины труб исосудов. Значительно реже используют метод прохождения. Им дефектоскопируютизделия простой формы (листы), оценивают прочность бетона, дерева и другихматериалов, в которых прочность коррелирует со скоростью ультразвука.
Средствомвозбуждения и приема ультразвуковых волн, как правило, служатпьезоцреобразователи. Учитывая сильное отражение ультразвука от тончайшихвоздушных зазоров, для передачи волн от пьезопреобразователя к изделиюиспользуют жидкостный контакт. Для возбуждения волн звукового диапазона кромепьезо-преобразователей применяют ударное воздействие, а для приема – микрофоны.
Измногочисленных направлений развития акустических методов контроля назовемразработку бесконтактных преобразователей: лазерных возбудителей и приемников,электромагнитно-акустических преобразователей, основанных на возбужденииколебаний поверхности объекта внешним электромагнитным полем. Это открываетвозможность повышения производительности при автоматическом контроле.
Ряд работнаправлен на отстройку от шумов, главным образом связанных с отражением упругихволн от структурных неоднородностей, например границ кристаллов вполикристаллическом материале. Осваивается применение специфических типовупругих волн в твердом теле: поверхностных волн, волн в пластинах и стержнях.Это существенно расширяет область изделий, доступных контролю. Разработкасредств высокоточного измерения скорости ультразвуковых волн открываетвозможности измерения внутренних напряжений в твердых телах по изменениюскорости или затухания.
Разрабатываютновые способы обработки информации, где очень перспективна вычислительнаяультразвуковая голография. Например, используя пьезопреобразователи так, какпоказано на рисунке 4, сканируют большой участок (порядка 200×200 мм)поверхности объекта контроля. Получаемую при этом информацию направляют впамять ЭВМ. Дальнейшую обработку всей информации, полученной на большом участкесканирования, выполняют на ЭВМ, используя те же алгоритмы, которые реализуютсяв оптической голографии при наложении световых пучков. Благодаря этому удаетсязначительно точнее представить форму и размеры выявляемых дефектов и болееобоснованно судить об их потенциальной опасности.1.9НК проникающими веществами
Неразрушающийконтроль проникающими веществами основан на проникновении пробных веществ вполость дефектов ОК. Его делят на методы капиллярные и течеискания. Капиллярныеметоды основаны на капиллярном проникновении в полость дефекта индикаторнойжидкости (керосина, скипидара), хорошо смачивающей материал объекты. Ихприменяют для обнаружения слабо видимых невооруженным глазом поверхностныхдефектов.
Методы,течеискания используют для выявления только сквозных дефектов в перегородках. Вполость дефекта пробное вещество проникает либо под действием разностидавлений, либо под действием капиллярных сил, однако в последнем случаенанесение и индикацию пробных веществ выполняют по разные стороны перегородки.
2 Классификацияфизических методов неразрушающего контроля сварных соединений. Метрологическоеобеспечение средств контроля
Припроведении мониторинга технического состояния (ТС) изделий, одной из наиболее актуальныхявляется задача объективного своевременного обнаружения дефектов различной природыи организация контроля за развитием дефектов из-за старения элементов приэксплуатации. Одним из путей предотвращения нежелательных последствий от эксплуатацииизделий с дефектами является систематичное использование методов НК. Дефектом, согласнонормативно-технической документации (НДТ) (ГОСТ 17-102), называется каждое отдельноенесоответствие продукции требованиям. Однако в практике применения средств неразрушающегоконтроля нет полного соответствия понятия «дефект» определению по ГОСТ.Обычно под дефектом понимают отклонение параметра от требований проектно-конструкторскойдокументации, выявленное средствами неразрушающего контроля.
Далее под дефектомбудем понимать физическое проявление изменения характеристик объекта контроля спараметрами, превышающими нормативные требования.
По стадиипоявления пороков в цепочке технологических операций различают дефектыподготовки (и сборки) изделий под сварку и сварочные дефекты. Дефектыподготовки и сборки часто приводят к появлению собственно сварочных дефектов,поэтому подготовку изделий к сварке необходимо особо тщательно контролировать.
Сварочныедефекты-несплошности различают по их типам и видам. Кроме несплошностей всварных соединениях могут иметь место макро- и микронеоднородности и другие несовершенстваструктуры.
Тип дефектаможет быть определен практически любым методом контроля, кроме радиоволнового иэлектрического методов.
Стандарты нанеразрушающие методы контроля относят к одной из трех групп.
– Стандартыобщего назначения
– Стандартына средства контроля
– Стандартына методики контроля различных видов продукции определенными методами,например, применительно к сварным соединениям Стандартизация методов НКизложена в ГОСТ 14782–86.
Методы НКразделяют на группы, называемые видами, объединенные общностью физическихпризнаков. Характер взаимодействия поля или вещества с объектом контроля ОКдолжен быть таким, чтобы контролируемый признак объекта вызывал определенныеизменения физического поля или состояния вещества. Например, чтобы наличиенесплошности вызывало изменение прошедшего через нее излучения илипроникновение в нее пробного вещества.
Первичныйинформативный параметр – конкретный параметр поля или вещества (амплитуда поля,время его распространения, количество вещества и т.д.), изменение которогоиспользуют для характеристики контролируемого объекта.
Способполучения первичной информации – конкретный тип датчика или вещества, которыеиспользуют для измерения и фиксации упомянутого информационного параметра [1].
Рассмотрим методыНК, применяемые непосредственно для контроля сварных соединений.2.1 Магнитныйвид НК
Магнитный виднеразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля сконтролируемым объектом. Как правило, его применяют для контроля объектов изферромагнитных материалов. Свойства, которые требуется контролировать(химический состав, структура, наличие несплошностей и др.), обычно связаны спараметрами процесса намагничивания и петлей гистерезиса.
Принамагничивании объекта контроля, вблизи поверхности которого имеется несплошность(дефект), в области дефекта происходит резкое пространственное изменение напряженностимагнитного поля, возникает поле рассеяния (рис. 3.3). Изменение напряженностимагнитного поля, точнее градиента напряженности, используют как первичныйинформативный параметр для выявления дефектов.2.2.Вихретоковый вид НК
Вихретоковыйвид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия электромагнитногополя вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов,наводимых в контролируемом объекте. Его применяют только для контроля объектовиз электропроводящих материалов. Вихревые токи возбуждаются в объектепреобразователем в виде индуктивной катушки, питаемой переменным или импульснымтоком. Приемным преобразователем (измерителем) служит та же или другая катушка.
Контрольвихревыми токами можно выполнять без непосредственного механического контактапреобразователей с объектом, что позволяет вести контроль при взаимном перемещениипреобразователя и объекта с большой скоростью.2.3Тепловой вид НК
Тепловой виднеразрушающего контроля основан на регистрации изменений тепловых илитемпературных полей контролируемых объектов. Он применим к объектам из любыхматериалов. Измеряемым информативным параметром служит температура или тепловойпоток.
Такимспособом выявляют участки с плохой теплопроводностью в многослойных панелях.Неплотное прилегание слоев и дефекты обнаруживают как участки повышенного илипониженного нагрева поверхности панели. Измерения температур или тепловыхпотоков выполняют контактным или бесконтактным способом. В последнем случаепередача теплоты происходит в основном за счет радиации, т. е. излученияэлектромагнитных волн в инфракрасной или видимой части спектра в зависимости оттемпературы тела. Наиболее эффективным средством бесконтактного наблюдения,регистрации температурных полей и тепловых потоков является сканирующийтепловизор. 2.4 Оптический вид НК
Оптическийвид неразрушающего контроля основан на наблюдении или регистрации параметровоптического излучения, взаимодействующего с ОК. Оптические методы имеют оченьширокое применение благодаря большому разнообразию способов получения первичнойинформации. Возможность их применения для наружного контроля не зависит отматериала объекта.
Использованиегибких световодов, лазеров, оптической голографии, телевизионной техники резкорасширило область применения оптических методов, повысило точность измерения.2.5Радиационный вид НК
Радиационныйвид неразрушающего контроля основан на регистрации и анализе проникающегоионизирующего излучения после взаимодействия его с ОК. В последнее времянаходят применение потоки позитронов, по степени поглощения которых определяютучастки объекта, обедненные или обогащенные электронами.
Наиболеешироко используют для контроля рентгеновское и гамма-излучения. Их можноиспользовать для контроля объектов из самых различных материалов, подбирая благоприятныйчастотный диапазон. Напомним, что эти виды излучения являются электромагнитнымиволнами. 2.6 Акустический вид НК
Акустическийвид неразрушающего контроля основан на регистрации параметров упругих волн,возникающих или возбуждаемых, в объекте. Чаще всего используют упругие волныультразвукового диапазона (с частотой колебаний выше 20 кГц), этот методназывают ультразвуковым. В отличие от всех ранее рассмотренных методов здесьприменяют и регистрируют не электромагнитные, а упругие волны, параметрыкоторых тесно связаны с такими свойствами материалов, как упругость, плотность,анизотропия (неравномерность свойств по различным направлениям) и др.
Акустическиесвойства твердых материалов и воздуха настолько сильно отличаются, чтоакустические волны отражаются от тончайших зазоров (трещин, непроваров) шириной10-6...10-4 мм. Этот вид контроля применим ко всемматериалам, достаточно хорошо проводящим акустические волны: металлам, пластмассам,керамике, бетону и т.д. 2.7 НК проникающими веществами
Неразрушающийконтроль проникающими веществами основан на проникновении пробных веществ вполость дефектов ОК. Их применяют для обнаружения слабо видимых невооруженнымглазом поверхностных дефектов.
Проведяанализ статистических данных Относительной выявляемости дефектов сварки различнымиметодами можно говорить о том что, например, для выявления Поверхностныхдефектов сварки целесообразно применять Метод Проникающими Веществами (скапиллярным взаимодействием с ОК), для Неметаллических дефектов, раковин инепроваров в корне шва – Рентгеновское Просвечивание, а непроваров по скосам –Ультразвуковой метод НК.
Нормативнойбазой метрологического обеспечения являются стандарты Государственной системыобеспечения единства измерений (ГСИ). В состав ГСИ наряду с государственнымивходят отраслевые стандарты, технические условия и другиенормативно-технические документы.
Метрологическоеобеспечение средств НК охватывает стадии: обоснования предложений па разработкуновых средств; опытно-конструкторской разработки (ОКР) средств; постановки напроизводство; производства средств; эксплуатации и ремонта.
Применение Д.в процессе производства и эксплуатации изделий даёт большой экономическийэффект за счёт сокращения времени, затрачиваемого на обработку заготовок с внутреннимидефектами, экономии металла и др. Кроме того, Д. играет значительную роль в предотвращенииразрушений конструкций, способствуя увеличению их надёжности и долговечности.
Отметим такжезадачу выбора метода (инструментов) или комплекса методов неразрушающего контроля(НК) для проведения диагностики технического состояния как отдельных элементов,так и их совокупности с учетом технико-экономических показателей. Инженернаяпрактика выдвигает ряд требований, которым должны удовлетворять методы, прежде всего,например, возможность визуализации дефектов, высокая выявляемоесть дефектов,чувствительность приборов, компактность и практичность оборудования. Для различныхработ применяются как отдельные методы НК, так и их комбинации (комплекты).
Однако,несмотря на значительные успехи в развитии методов НК и применяемые меры по контролюТС различных деталей и изделий, отдельные дефекты остаются не выявленными и становятсяпричинами и результатами аварийных ситуаций и больших катастроф. Так, методы и средстваНК, применяемые на стадиях производства и предэксплуатационного контроля, далекиот совершенства и в результате их применения не выявляется значительное числодефектов технологической природы.
В даннойработе были рассмотрены роль и место методов НК для обеспечения надежности идолговечности изделий, а также рассматрены модели и способы комплексирования различныхпо своей природе и затратам ресурсов методов НК.
3 Стандартизация неразрушающегоконтроля
В зависимостиот требований к объектам стандартизации стандарты подразделяют на категории:государственные (ГОСТ); отраслевые (ОСТ); предприятий (СТП).
Государственныестандарты утверждают Госстандарт и Госстрой (по закрепленной за последнимноменклатуре). Эти стандарты обязательны для всех министерств и ведомств, предприятий,организаций и учреждений.
Отраслевыестандарты утверждают министерства (ведомства) являющиеся головными (ведущими)по видам выпускаемой продукции. ОСТ может охватывать деятельность ряда министерств,предприятия которых заняты производством, эксплуатацией и ремонтом конкретнойпродукции. Так, действие ОСТа «Ультразвуковой контроль сварных швов в мостах,вагонах, и локомотивах» распространяется не только на предприятия Министерствапутей сообщения СССР но и на предприятия всех министерств, изготовляющихмостовые конструкции, вагоны, тепловозы и электровозы.
Стандартыпредприятий, разрабатываемые предприятиями (организациями), обязательны дляподразделений и служб предприятия (организации), утвердившего стандарт. Порядокразработки и оформления СТП устанавливает ГОСТ 1.4–85.
ОСТ и СТПразрабатывают, развивая соответствующие ГОСТы, если таковые имеются. Приразработке, регистрации, внедрении и пересмотре ГОСТов, ОСТов и СТПруководствуются документами Государственной системы стандартизации (ГСС),включающей 13 стандартов. На стадии разработки стандарта выполняют его проверкуна патентную чистоту.
КромеГосударственной системы стандартизации в настоящее время действует еще рядкомплексных систем (номер системы обозначают цифрой после аббревиатуры ГОСТ),среди которых: ГОСТ 4 – Система показателей качества продукции (СПК.П); ГОСТ 8– Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ); ГОСТ 15 –разработка и постановка продукции на производство.
Примеромкомплексной стандартизации служат комплексные системы управления качествомпродукции (КС УКП), построенные по отраслевому принципу, а также комплексная целеваяпрограмма стандартизации НК. В соответствии с последней разработанозначительное число ГОСТов и ОСТов в области НК, ряд из которых по техническомууровню превосходит соответствующие стандарты, действующие за рубежом.
Необходимостьмеждународного сотрудничества в области стандартизации вызвала создание в 1946г. Международной организации по стандартизации (ИСО). Высший руководящий органИСО – Генеральная ассамблея. Практическую работу по стандартизации ведут техническиекомитеты (ТК), сферы деятельности которых разграничены. Технический комитетИСО/ТК 135 ведет работы по стандартизации в области неразрушающего контроля. Внекоторых направлениях международная стандартизация развивается автономно.Примером могут служить Европейская организация по контролю качества (ЕОКК) иМеждународное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), уделяющие весьма серьезноевнимание вопросам стандартизации и метрологического обеспечения НК.
Стандарты нанеразрушающие методы контроля относят к одной из трех групп.
1. Стандартыобщего назначения. Это стандарты на классификацию методов контроля,терминологию, единую систему обозначений, требования к содержанию стандартовдругих групп. Примером такого стандарта может служить ГОСТ18353–79.
2. Стандартына средства контроля, разделяющие приборы данного типа на группы поопределенным признакам, определяющие основные узлы и параметры этих приборов. Вэтих стандартах устанавливаются цифровые ряды или предельные значенияпараметров, рекомендованные к использованию.
Важную роль вповышении технического уровня приборов неразрушающего контроля играют стандартына основные технические требования (ГОСТ ОТТ), система которых разработана ивведена Госстандартом в 1985–1987 гг. ГОСТ ОТТ разработаны на ультразвуковые,вихретоковые, магнитные, радиационные и т.п. дефектоскопы, толщиномеры и другиетипы приборов, являющиеся основными средствами неразрушающего контроля. В этихстандартах предусмотрено планомерное улучшение основных технических параметров,чтобы сначала достичь передового международного уровня, а затем превзойти его.Несоответствие прибора ГОСТу ОТТ автоматически лишает его возможностипретендовать на высокую категорию качества, а, следовательно, влияет на прибыльи фонд экономического стимулирования предприятия – изготовителя прибора.
3. Стандартына методики контроля различных видов продукции определенными методами,например: на радиационный контроль сварных соединений, ультразвуковой контрольтруб, капиллярный контроль изделий разнообразного типа. В таких стандартахуказывают ограничения на виды контролируемой продукции, типы выявляемыхдефектов, основные требования к применяемой аппаратуре (в некоторых случаяхрекомендуют простые средства проверки ее параметров), способы ее настройки,требования по подготовке изделий к контролю, порядок его проведения иоформления результатов.
Рассмотреннаясистема стандартов на средства и методы контроля разрабатывается в нашей странев плановом порядке. Уже создано большинство необходимых стандартов. Онипериодически пересматриваются и совершенствуются [1].
4Эффективность комплексного применения методов НК
Объективный анализприменения различных методов привел к целесообразности применения комплексныхсистем контроля, которые используют разные по физической природе методы исследования,что, в свою очередь, позволит исключить недостатки одного метода, взаимодополнитьметоды и реализовать тем самым принцип «избыточности» для повышения надежностиконтроля систем и агрегатов.
Различные методыНК характеризуется разными значениями технико-экономических параметров:чувствительностью, условиями применения, типами контролируемых объектов и т.д.Поэтому при формировании комплекса методов НК разной физической природы возникаетпроблема оптимизации состава комплекса с учетом критериев их эффективности изатрат ресурсов.
Комплексноеиспользование наиболее чувствительных методов не означает, что показателидостоверности будут соответственно наибольшими, а в свою очередь, учетпервоочередности технических показателей может привести к противоречиям с экономическимикритериями, такими как трудозатраты, стоимость, время контроля и т.д., что, в своюочередь, может привести к тому, что выбранный комплекс методов НК может оказатьсяс экономической точки зрения неэффективным.
Дляреализации различных методов НК разработаны различные приборы: дефектоскопы(ультразвуковые дефектоскопы сварных соединений представлены в приложении 3), толщиномеры,тепловизоры для разных дефектов (трещин, негерметичностей), электронное оборудование(для нахождения ослабления электрических контактов), механическое оборудование,которое имеет различные технико-экономические характеристики и технологии использованиядля различных типов дефектов и др.
Из анализа имеющихсяхарактеристик вытекает необходимость решения задачи выбора состава (комплекса)методов НК как задачи в оптимизационной постановке. Комплексное применение методовНК для диагностики и обнаружения дефектов в агрегатах и системах направлено на обеспечениеувеличения эффективности и достоверности контроля, продления работоспособности иресурса.
Задачаформирования комплекса различных методов НК для обнаружения совокупностивозможных (наиболее опасных дефектов) в системе может быть сформулирована как оптимизационнаямногоуровневая однокритериальная (многокритериальная) задача дискретногопрограммирования.
Решение задачи- оптимальное сочетание различных методов НК, применение которых наиболееэффективно при эксплуатации и анализе ресурса дорогостоящих систем.
Актуальнымипри проведении НК являются также задачи оптимального распределения объемовконтроля на всех этапах жизненного цикла объекта, оптимизации мест и параметровконтроля, планирования технического обслуживания системы с учетом экономическихпоказателей [3].
5Метрологическое обеспечение средств неразрушающего контроля
Средстванеразрушающего контроля в большинстве случаев следует рассматривать каксредства измерения. Метрологические обеспечение средств НК, т. е. установлениеи применение научных и организационных основ, приборов и устройств, правил инорм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений, –обязательная составная часть неразрушающего контроля.
Нормативнойбазой метрологического обеспечения являются стандарты Государственной системыобеспечения единства измерений (ГСИ). В состав ГСИ наряду с государственнымивходят отраслевые стандарты, технические условия и другиенормативно-технические документы.
Метрологическоеобеспечение средств НК охватывает стадии: обоснования предложений па разработкуновых средств; опытно-конструкторской разработки (ОКР) средств; постановки напроизводство; производства средств; эксплуатации и ремонта.
На первойстадии проводят метрологическую экспертизу заявки на разработку новой техники.В ходе ее устанавливают обоснованность и достаточность норм точности,изложенных в заявке, соответствие этих норм действующим стандартам,контролепригодность норм точности, а также объем требовании к метрологическомуобеспечению предстоящего производства изделий. Результаты экспертизы оформляютв виде экспертного заключения. Эти данные учитывают при составлении карттехнического уровня.
На стадии ОКРсредств НК метрологической экспертизе подвергают техническое задание,технические предложения и конструкторско-технологическую документацию.
Припроведении метрологической экспертизы технического задания определяют соответствиепостроения, изложения и оформления ГОСТ 15.001–73, возможность измерения техпараметров предполагаемого к разработке средства, к которым предъявляютсяточностные требования; особое внимание при этом следует уделять точностнымтребованиям основных параметров аппаратуры, обусловливающих достоверностьрезультатов контроля. Метрологическую экспертизу технических заданий па ОКРсредств НК проводит головная организация по государственным испытаниям средствНК, утвержденная Госстандартом. Результаты экспертизы отражают в экспертномзаключении, рекомендуемая форма которого приведена в одном из документов ГСИ.Положительное заключение метрологической экспертизы является необходимымусловием утверждения технических заданий на разработку всех без исключениясредств измерений, предназначенных для производства, выпуска в обращение иприменения в стране.
В процессеметрологической экспертизы технических предложений определяют соответствие ихтехническому заданию и действующим стандартам. На основании сведений о предполагаемомизготовителе средств НК выявляют контролепригодность установленных нормточности и возможность их контроля в реальных условиях изготовителя средств НК.
Метрологическаяэкспертиза конструкторской и технологической документации предусматриваетанализ и оценку технических решений по выбору параметров, подлежащих измерению,устанавливает нормы точности, методы и приборы измерений. Она осуществляется ирезультаты ее оформляются в соответствии со стандартами, входящими в ГСИ.Технические условия (ТУ) на средства НК и методика поверки (ПМ) этих средств,составленные в процессе ОКР, согласовываются, как правило, головнойорганизацией по метрологическому обеспечению средств НК Госстандарта иливедомства (министерства).
Заключение
Диагностикаравноправное и неотъемлемое звено технологических процессов, позволяющееповысить надёжность выпускаемой продукции. Однако методы диагностики неявляются абсолютными, т. к. на результаты контроля влияет множество случайныхфакторов. Об отсутствии дефектов в изделии можно говорить только с той или инойстепенью вероятности. Надёжности контроля способствует его автоматизация,совершенствование методик, а также рациональное сочетание нескольких методов.Годность изделий определяется на основании норм браковки, разрабатываемых приих конструировании и составлении технологии изготовления. Нормы браковкиразличны для разных типов изделий, для однотипных изделий, работающих вразличных условиях, и даже для различных зон одного изделия, если ониподвергаются различному механич., термич. или химич. воздействию.
Применение Д.в процессе производства и эксплуатации изделий даёт большой экономическийэффект за счёт сокращения времени, затрачиваемого на обработку заготовок свнутренними дефектами, экономии металла и др. Кроме того, Д. играетзначительную роль в предотвращении разрушений конструкций, способствуяувеличению их надёжности и долговечности.
Отметим такжезадачу выбора метода (инструментов) или комплекса методов неразрушающего контроля(НК) для проведения диагностики технического состояния как отдельных элементов,так и их совокупности с учетом технико-экономических показателей. Инженернаяпрактика выдвигает ряд требований, которым должны удовлетворять методы, прежде всего,например, возможность визуализации дефектов, высокая выявляемоесть дефектов,чувствительность приборов, компактность и практичность оборудования. Дляразличных работ применяются как отдельные методы НК, так и их комбинации(комплекты).
Однако,несмотря на значительные успехи в развитии методов НК и применяемые меры по контролюТС различных деталей и изделий, отдельные дефекты остаются не выявленными и становятсяпричинами и результатами аварийных ситуаций и больших катастроф. Так, методы и средстваНК, применяемые на стадиях производства и предэксплуатационного контроля, далекиот совершенства и в результате их применения не выявляется значительное числодефектов технологической природы.
В даннойработе были рассмотрены роль и место методов НК для обеспечения надежности идолговечности изделий, а также рассматриваются модели и способыкомплексирования различных по своей природе и затратам ресурсов методов НК.
Библиографическийсписок
1 Неразрушающий контроль.Кн. 1 / Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высш. шк., 1991-1995.
2 Методы дефектоскопиисварных соединений / Под общ. ред. В.Г. Щербинского. М.: Машиностроение, 1987.
3 Волченко В.Н. «Контролькачества сварных конструкций». — М.: Машиностроение, 1986.
4 Контроль качествасварных и паяных соединений. Учебное пособие/ С.А. Федоров, МАТИ, М, 1989.