Реферат : Капиллярная дефектоскопия

Введение

Капиллярный метод неразрушающего контроля основан на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей в полости невидимых или слабо видимых невооруженным глазом поверхностных и сквозных несплошностей материала объектов контроля и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом или с помощью преобразователя. В капиллярной дефектоскопии выявляются поверхностные дефекты, т. е. тупиковые капилляры различной формы, которые имеют выход на поверхность.

При любых видах нагружения в наиболее неблагоприятных условиях оказываются верхние слои деталей. Кроме статических и динамических нагрузок, поверхностные слои в наибольшей степени подвержены действию колебаний температуры, влаги, агрессивных сред, вызывающих коррозию и преждевременный износ. Поверхность — наиболее вероятное место появления дефектов в результате издержек предыдущих технологических операций обработки и случайных ее повреждений (риски, царапины, клейма, задиры, ожоги и т. д.), возникающие в процессе транспортировки, монтажа. Все это существенно снижает прочность и долговечность детали и сопряженных с ней элементов, а, следовательно, всей конструкции, и может привести к поломке и аварии.

[sms]

Поэтому поверхностная дефектоскопия является обязательной составляющей частью технологии изготовления любой детали и особенно ответственной.

Физические основы метода

Важнейшими физическими явлениями, лежащими основе капиллярного контроля, являются поверхностное натяжение и смачивание, капиллярное впитывание, сорбция, растворение, люминесценция, цветовой и яркостный контрасты.

Явление смачивания вызывается притяжением атомов или молекул жидкости либо твердого тела (в газах тепловое движение частиц преодолевает это притяжение), в результате, минимум свободной энергии достигается в жидкости или твердом теле, когда поверхность их минимальна. Таким образом, поверхность стремится сократиться, и возникают силы поверхностного натяжения.

Рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твердого тела. Выделим элементарный цилиндр в тройной точке А, где соприкасаются твердое тело, жидкость и окружающий газ. На единицу длины этого цилиндра действуют три силы поверхностного натяжения: твердое тело — газ Fтг, твердое тело — жидкость Fтж, и жидкость — газ Fжг. Когда капля находится в состоянии покоя, равнодействующая проекция этих сил на поверхность твердого тела равна нулю: Fжг cos(q) + Fтж — Fтг = 0. Если Fтг > Fтж, то угол q острый. Это значит, жидкость смачивает твердое тело. Если Fтж > Fжг, то угол q тупой. Это означает, что жидкость не смачивает твердое тело.

Движение жидкости по капилляру обеспечивается за счет капиллярных сил. Отметим, что чем меньше радиус капилляра, тем больше капиллярное давление.

Представим картину, когда трещина заполняется смачивающей жидкостью — пенентрантом. Размер трещины в месте, где расположен нижний мениск жидкости, обозначим r2, а вблизи устью — r1. Разность давлений, вызываемая различием r1 и r2, составляет Р2 — Р1 = 2Fжг cos q (1/ r 2 — 1/ r 1). (1)

Она уравновешивается давлением воздуха в замкнутом объеме, собравшегося вблизи вершины трещины. Из (1) следует, что лучше будут выявляться глубокие, расширяющиеся к устью дефекты.

Если на поверхность пенентранта поместить пористое вещество (порошкообразный проявитель), то образуется система из мелких капилляров с менисками малой кривизны. Возникнет добавочное давление в направлении Р1, жидкость выйдет из трещины и смочит частицы проявителя. Здесь действует явление сорбции, т. е. собирания. Иногда применяют не порошкообразный, а пленочный или красящий проявитель. Принцип его действия другой — диффузионный.

Видимая в результате проявления идентификация дефекта больше его реальных размеров.

Технология и средства контроля

Общая технологическая классификация капиллярного неразрушающего контроля в зависимости от решаемых задач может быть выполнена по разнообразным признакам.

Технология капиллярной дефектоскопии, обеспечивающая образование следа дефекта, включает в различных ее вариантах следующие основные операции:

подготовка изделий к контролю: очистка, обезжиривание, сушка и т. д.; задача этой операции — удаление загрязнений из полостей дефектов и обеспечение равномерной смачиваемости поверхности изделия индикаторной жидкостью;
пропитка дефектов индикаторной жидкостью; полости дефектов должны быть заполнены пенентрантом в степени, обеспечивающей выявление дефектов;
удаление пенентранта с поверхности изделия при сохранении его в несплошностях;
нанесение проявителя (например, в виде порошка или суспензии);
проявление и выявление следов; на стадии проявления пенентрант извлекается из дефектов проявителем, в результате на поверхности проявителя формируется ярко окрашенный или люминесцирующий след дефекта.
Подготовка объектов к контролю включает очистку контролируемой поверхности и полостей дефектов от всевозможных загрязнений, лакокрасочных покрытий, моющих составов и дефектоскопических материалов, оставшихся от предыдущего контроля, а также сушку контролируемой поверхности и полостей дефектов. Ее цель: вывести на поверхность изделия устья дефектов, устранить возможность возникновения фона и ложных индикаций, очисть полость дефекта.

При очистке контролируемой поверхности используются следующие способы:

механический;
паровой;
растворяющий;
химический;
электрохимический;
ультразвуковой;
анодно-ультразвуковой;
тепловой;
сорбционный.
Обработка объекта дефектоскопическими материалами составляет основную часть процесса контроля. Она включает следующие этапы:

заполнение полостей дефектов индикаторным пенентрантом;
удаление избытка индикаторного пенентранта;
нанесение проявителя, если этого требует применяемый метод.
Существуют следующие способы заполнения полостей индикаторным пенентрантом:

капиллярный;
вакуумный;
компрессионный;
ультразвуковой;
деформационный.
Во всех случаях пенентрант оставляют на поверхности на 10 – 20 мин для лучшего его проникновения в полость дефекта.

К пенентрантом предъявляют целый ряд требований. Важнейшими свойствами пенентранта являются его полярность, поверхностное натяжение s, краевой угол q смачивания контролируемой поверхности, вязкость m (для сокращения времени пропитки), возможность и удобство обнаружения индикаций после проявления. Этим требованиям удовлетворяют такие вещества, как керосин, бензин, жидкие масла, спирт, бензол, скипидар.

Пенентранты бывают:

цветные (обладают цветовым контрастом в видимом свете);
люминесцентные (способны светиться под действием ультрафиолетового облучения);
люминесцентно-цветные (можно обнаружить обоими способами);
ахроматические или яркостные;
фильтрующая суспензия.
В промышленности наиболее распространенным индикаторным пенентрантом является люминесцентная жидкость ЛЖ-6А, имеющая следующий состав: 40% — бутиловый спирт, 50% — раствор люминофора в ксилоле (1,8-нафтоилен-1", 2"-бензимидазол); 10% — поверхностно-активное вещество ОП-7. В последнее время все более широкое применение, вследствие их пожаробезопасности и нетоксичности, находят пенентранты на водной основе: ЛЮМ-9 (вода — 98%, ПАВ (ОП-7) — 0,05%, флуоресцеин — 0,005%, моноэтаноламин — 1,95%), АЭРО-12А (гидролизный спирт — 84%, родамин — 6%, ПАВ (ОП-7) — 10%).

Используемые в капиллярном контроле пенентранты, как правило, хорошо смачивают высокоэнергетические поверхности, характеризующиеся сравнительно высоким значением поверхностного натяжения твердого тела на границе с газовой средой, которое изменяется в пределе 0,1 – 0,5 Дж/м2. К ним относятся металлы и их окислы, стекло, кварц и другие поверхности.

С целью капиллярного контроля изделий из различных твердых полимеров, обладающих низкоэнергетическими поверхностями, следует выбирать пенентранты, прежде всего удовлетворяющие условию хорошего смачивания ими этих изделий.

Устранение излишков пенентранта с поверхности — следующая операция. Она необходима для того, чтобы исключить возможность проявления ложных индикаций после проявления и увеличить контраст при обнаружении дефекта.

Удаление индикаторного пенентранта с контролируемой поверхности (или гашение) должно осуществляться за минимальный промежуток времени от момента окончания заполнения полостей дефектов до момента начала проникновения. Выделяют следующие способы удаления пенентранта с поверхности:

протирка;
промывка;
обдувка опилками, песком;
гашение;
промывка в ультразвуковом поле.
Чаще всего используют промывку веществами, которые называются очистителями. Очистителем может являться вода с добавками поверхностно-активных веществ (эмульгаторов), например, стирального порошка, соды, ОП-7.

Иногда вместо промывки применяют операцию гашения. Это устранение люминесценции или цветового контраста индикаторного пенентранта в результате химического воздействия веществ-гасителей. С помощью них устраняют фон, возникающий, когда на поверхности изделия имеются неглубокие неровности.

Проявление дефектов представляет собой процесс образования рисунка (их следов) в местах наличия поверхностных несплошностей. Наиболее распространен временной способ проявления — выдержка объектов на воздухе до появления индикаторных следов дефектов. След дефекта представляет собой изображение, образованное индикаторной жидкостью (пенентрантом) в месте расположения несплошности и подобное форме канала сечения несплошности у выхода на поверхность объекта контроля.

В зависимости от типа проявителя (суспензия, порошок, лак, пленка) применяют следующие способы нанесения его на контролируемую поверхность:

распыление;
электораспыление;
воздушной взвесью;
кистевой;
погружение;
обливание;
электроосаждение;
посыпание;
наклеивание.
В дефектоскопии применяют проявители сорбционного (порошковый и суспензионный) и диффузионного (краска, лак, пленка) действия. Первый пенентрант извлекается из полостей дефектов, прежде всего, за счет капиллярного впитывания.

Порошковый проявитель характеризуется, прежде всего, дисперсностью (средним размером пор Rп), пористостью П, проницаемостью К. Кроме того, в случае использования порошкового проявителя одна из основных характеристик — краевой угол qпр смачивания пенентрантом проявителя. Для суспензионного проявителя кроме величин, определяющих структуру его слоя после высыхания Rп, П и К, важными являются поверхностное натяжение несущей фазы s и полярность. Основные параметры очищающей жидкости — полярность и поверхностное натяжение.

Проявитель наносят тонким, но сплошным слоем. Тонкий слой проявителя (8 – 20 мкм) легче пропитывается малым количеством пенентранта, сохранившимся в полости дефекта, обеспечивает высокий контраст индикаций и чувствительность с слабо раскрытым неглубоким дефектам.

После нанесения проявителя дают выдержку в 10 – 20 мин. Для ускорения иногда применяют подогрев до 40 – 50 °С, вакуумирование, вибрацию (для выявления усталостных трещин).

Важное требование (ГОСТ 18442–80) к дефектоскопическим материалам — это их совместимость. Выбранный пенентрант должен хорошо смачивать поверхность контролируемого материала, смываться очистителем, проявляться рекомендуемым проявителем. Поэтому дефектоскопические материалы рекомендуются в ОСТах или инструкциях в виде наборов или комплектов.

Следующая ответственная операция — осмотр объекта контроля. При цветном способе обязательное требование — хорошее освещение поверхности объекта контроля. При люминесцентном способе контроля осмотр проводят в затемненном помещении с подсветкой видимым светом не более 10 лк. Для люминесценции индикаций используют ультрафиолетовое (УФ) облучение ртутными лампами с длиной волны 315 – 400 нм.

Результаты контроля заносят в журнал и составляют заключение по контролю. Изображение дефектов приводят на схеме изделия. Приняты следующие обозначения дефектов:

А — единичные;
Б — групповые, расположенные в ограниченных зонах;
В — повсеместно распространенные.
По ориентации относительно главных осей объекта контроля дефекты делят на:

к к — параллельные;
^ — перпендикулярные;
Р — расположенные под углом;
без знака — дефекты, не имеющие определенной ориентации.
По допустимости:

без знака — недопустимые;
обведенные кружком — допустимые.
Сквозные дефекты отмечают звездочкой.

Окончательную очистку объекта после контроля осуществляют влажной протиркой, промывкой водой или растворителем, обдувкой песком или другим абразивным материалом. Пленочный проявитель окисляют, иногда выжигают нагреванием. Если на эксплуатационные качества объекта контроля следы процесса капиллярное дефектоскопии не влияют, то операцию очистки не проводят.

Требования техники безопасности при проведении капиллярного контроля указаны в ГОСТ 18442-80.

В зависимости от типа проникающего вещества основные методы классифицируют следующим образом:

проникающих растворов — жидкостный метод капиллярного неразрушающего контроля, в котором в качестве пропитывающего вещества используется раствор индикаторного вещества в жидкости- носителе;
фильтрующихся суспензий — метод контроля, в котором индикаторным веществом служит суспензия; при нанесении индикаторной суспензии на поверхность изделия жидкая фаза проникает в капилляры, а дисперсные частицы, имеющие размеры больше раскрытия дефектов, отфильтровываются, скапливаются у устья дефектов, образуя их следы.
В зависимости от способа выявления индикаторного рисунка существуют следующие разновидности капиллярных методов:

люминесцентный — при регистрации контраста люминесцирующего в ультрафиолетовом свете видимого индикаторного следа дефекта на фоне поверхности объекта контроля;
цветной — в основе которого лежит регистрация в видимом свете цветного индикаторного рисунка;
люминесцентно-цветной — обнаружение дефекта по цветному или люминесцирующему индикаторному следу в видимом или ультрафиолетовом излучении;
яркостный — основанный на регистрациях контраста в видимом излучении ахроматического рисунка.
Выбор метода определяется, прежде всего, требуемой чувствительностью, однако учитываются также экономические и эргономические соображения.

Чувствительность метода

Капиллярный метод и его цветная и люминесцентная разновидности выгодно отличаются от других методов. Они обладают хорошей чувствительностью и могут надежно в производственных условиях выявлять поверхностные дефекты с шириной раскрытия 1 – 5 мкм. Метод нагляден, по следу дефекта ясно видны место и форма обнаруженной несплошности, имеющей выход на поверхность.

Нижний порог чувствительности определяется как минимальная величина раскрытия выявленных дефектов, ограничивается тем, что весьма малое количество пенентранта, задержавшееся в полости небольшого дефекта, оказывается недостаточным, чтобы получить контрастную индикацию при данной толщине слоя проявляющего вещества. Существует также верхний порог чувствительности, который определяется тем, что из широких, но не глубоких дефектов пенентрант вымывается при устранении его излишков с поверхности.

ГОСТ 18442-80 установлено 5 классов чувствительности (по нижнему порогу) в зависимости от размеров дефектов.

Для обеспечения высокого класса чувствительности необходимо, во-первых, отказаться от этапа удаления излишков пенентранта с поверхности сухим протиранием и сразу снимать пенентрант очистителем путем распыления или промывания им объекта контроля, хотя и это снижает производительность процесса. Во-вторых, чтобы пенентрант не вымывался из дефектов, необходимо, если требуется повысить чувствительность, подбирать очиститель с поверхностным натяжением, удовлетворяющим определенным условиям.

Объекты контроля

Капиллярным методом обнаруживают только выходящие на поверхность дефекты, полость которых не заполнена окислами или другими веществами.

Основными объектами массового контроля являются массовые детали машин сложной формы, такие как лопатки турбин, крепеж, литье деталей корпусов и элементов систем управления из легких сплавов и аналогичные детали энергетических и транспортных машин из коррозионно-стойких неферромагнитных никелевых и титановых, а также других жаро- и термостойких сплавов. С помощью капиллярного метода выявляются сварочные, термические, шлифовочные, усталостные, деформационные трещины, пористость, трещины на фоне пористости и т.п.

Капиллярные методы находят широкое применение в энергетике, авиации, судостроении, химической промышленности для контроля основного металла и сварных соединений из сталей аустенитного класса (нержавеющих), титана, алюминия, магния и других цветных металлов.

Желательно, чтобы объект контроля имел гладкую, например, механически обработанную, поверхность.

Заключение

Достоинствами капиллярного метода являются:

простота (для выполнения операций контроля не требуется высокой квалификации персонала);
высокая чувствительность к трещинам, порам;
универсальность (возможен контроль изделий разной формы из различных материалов);
высокая достоверность (при правильной технологии проверки ошибки мало вероятны);
наглядность результатов проверки.
Наряду с достоинствами капиллярному методу присущи серьезные недостатки:

многооперационность и трудоемкость;
выявляются только выходящие на поверхность дефекты с открытой полостью;
при капиллярном контроле велика доля ручного труда, он плохо поддается автоматизации; особенно это относится к проблеме распознания образов следов дефектов, их идентификации и оценки пригодности детали к эксплуатации;
один из неприятных аспектов капиллярного контроля — токсичность некоторых дефектоскопических материалов, их взрыво- и пожароопасность; естественно, в процессе капиллярного контроля загрязняется воздух и окружающая среда.
Капиллярный контроль оказался одним из самых консервативных методов. Но перспективы его развития есть. Они заключаются в механизации и автоматизации контроля. Очень перспективно в этом отношении применение промышленных манипуляторов (роботов) адаптивного типа.

Главное затруднение вызывает операция осмотра проконтролированной поверхности. Решение проблемы — передача телевизионного изображения объекта контроля с рисунком индикаций. Это позволяет устранить облучение дефектоскописта ультрафиолетовым светом.

Проводятся также исследования по повышению чувствительности и сокращению времени контроля.

Библиографический список

Белокур И. П., Коваленко В. А. Дефектоскопия материалов и изделий. К.: Техника, 1989.

ГОСТ — 18442 — 80. Контроль неразрушающий. Капиллярные методы контроля.

Ермолов И. Н., Останин Ю. Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества. М.: Высшая школа, 1988.

Приборы для неразрушающего метода контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х кн. Кн. 1. / Под ред. В. В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1986.

Прохоренко П. П., Мигун Н. П. Введение в капиллярную дефектоскопию. / Под ред. А. С. Боровикова. — Мн.: Наука и техника, 1988.

[/sms]