Неразрушающий контроль в промышленности

Виды неразрушающего контроля: от ультразвука до эндоскопии

Классификация методов контроля

Различают следующие виды неразрушающего контроля: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический, проникающими веществами. Целый арсенал методов, каждый из которых решает свои задачи.

Каждый вид подразделяют на методы неразрушающего контроля по различным признакам: характеру взаимодействия поля или вещества с объектом, первичному информативному параметру, способу получения первичной информации.

К часто используемым методам можно отнести:

• ✓ Ультразвуковой
• ✓ Вибрадиагностический (акустический вид)
• ✓ Вихретоковый (вихретоковый вид)
• ✓ Визуальный: эндоскопический контроль, скоростная видеосъемка (оптический вид)

Автоматизация и прогнозирование

Одной из главных особенностей методов, связанных с их недавней разработкой и началом применения, является обработка результатов различными электронными устройствами и возможность передачи информации в ЭВМ.

Что это дает? Не только автоматизацию процесса контроля — сделать его дешевле и независящим от человеческого фактора. Но и возможность аккумулировать информацию о проведенных измерениях, обрабатывать статистически, выявлять тенденции изменения показателей. А следовательно, моделировать и прогнозировать возникновение дефектов.

Эти возможности позволяют перейти от практики реагирования на возникающие дефекты к их предупреждению. Что, безусловно, положительно отразится на себестоимости продукции.

Краткие характеристики перечисленных методов и области применения приведены в таблице 1.

Ультразвуковой контроль: физика процесса и измеряемые параметры

Физический принцип ультразвука

Ультразвуковой неразрушающий контроль основывается на простом физическом принципе: на характеристики любых волн оказывает влияние среда, в которой эти волны распространяются.

Таким образом, изменение значений одного или нескольких параметров высокочастотной ультразвуковой волны, зондирующей материал, часто свидетельствует об изменениях таких физических свойств материала, как:

Преимущества ультразвукового анализа

Значительное преимущество ультразвукового анализа свойств материалов заключается в том, что он может проводиться без остановки технологических процессов или поточным способом.

Высокочастотные ультразвуковые волны могут передаваться в движущиеся объекты без непосредственного контакта с ними преобразователя — так называемые иммерсионные методы контроля.

Измерения также могут проводиться в закрытых емкостях с передачей ультразвуковой энергии через стенки.

То обстоятельство, что ультразвуковые волны проходят через объект контроля, позволяет изучать внутренние свойства материала. Иногда возможно, используя строб-импульсы, получать данные о свойствах только одного слоя в многослойных материалах.

Традиционные характеристики

Традиционные характеристики, измеряемые при использовании ультразвукового метода контроля:

1. Скорость волны во время прохождения ультразвука в объекте контроля. Скорость волны является наиболее часто измеряемым параметром. В однородной среде она непосредственно зависит от плотности и соотносится с модулем упругости. Таким образом, изменения скорости волны характеризуют однородность материалов, изменения упругости или плотности.

2. Ослабление ультразвука. Энергия ультразвука поглощается или ослабляется с различной степенью в различных материалах под влиянием плотности, твердости, вязкости, структуры материала.

3. Рассеяние ультразвука. Ультразвуковые волны отражаются от границы между различными материалами. Изменения структуры зернистости, ориентации частиц и волокон, пористости оказывают влияние на амплитуду, направление и частотную составляющую.

4. Частотная составляющая — спектр сигнала. Все материалы могут быть рассмотрены как низкочастотные фильтры, ослабляя или снижая высокочастотную составляющую широкополосной ультразвуковой волны.

Методика измерений

В некоторых случаях данные ультразвукового контроля, например, о скорости ультразвука, могут непосредственно использоваться для расчета свойств материала, в частности модуля упругости.

В других случаях ультразвуковой контроль используется для сопоставительного анализа свойств материалов при необходимости экспериментальной оценки стандартных образцов из материала объекта контроля.

У таких стандартных образцов при их акустическом зондировании можно зафиксировать соответствие изменений значений параметра ультразвука конкретным свойствам материала. После чего, опираясь на эти данные, можно определять или предсказывать аналогичные изменения в реальных объектах контроля.

Технические параметры

Для неразрушающего контроля чаще всего используют диапазон частот ультразвуковых волн от 500 кГц до 20 МГц. При этом широко используются продольные, поперечные, поверхностные, плоскостные и другие волны.

Ультразвуковые волны имеют малую длину, что определяет их высокую чувствительность к изменениям среды, в которой они проходят. Для усиления этого эффекта при анализе свойств материалов рекомендуется использовать как можно более высокую частоту ультразвука.

Ультразвуковые импульсы, проникающие в объект контроля, излучаются и принимаются пьезоэлектрическими преобразователями.

В эхоимпульсном режиме ультразвуковая волна проходит через объект контроля, отражается от его противоположной поверхности и возвращается на преобразователь. В режиме сквозного прозвучивания ультразвуковая волна принимается вторым преобразователем. Полученный сигнал потом усиливается и обрабатывается.

Оборудование

Для анализа свойств материалов могут быть использованы различные ультразвуковые приборы с аналоговой или цифровой обработкой сигналов.

Измерение скорости ультразвука используется для определения толщины с помощью ультразвуковых толщиномеров. Величина изменения скорости ультразвука, степень его ослабления или рассеяния измеряются современными цифровыми дефектоскопами.

Генераторы-приемники с соответствующим дополнительным оборудованием, а также системы формирования акустических изображений и программное обеспечение могут быть использованы для проведения спектрального анализа (частотной составляющей) ультразвуковых эхосигналов.

Применение ультразвука: от модуля упругости до качества продуктов

Области применения

Ниже приведен обзор некоторых свойств материалов, для анализа которых может быть использован ультразвук.

Модули упругости: модуль Юнга и модуль сдвига могут быть рассчитаны на основании измерений скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн (наряду с плотностью материала). Использование волноводов часто обеспечивает проведение измерений при высоких температурах объектов контроля.

Содержание графита в чугуне. На основании измерений скорости ультразвука могут быть определены как концентрация включений графита в чугуне, так и их форма.

Степень отверждения, например, смол, бетона, пластмасс. Скорость ультразвука в этих материалах изменяется по мере их отверждения. Контроль бетонных объектов обычно проводится в режиме сквозного прозвучивания, что требует доступа к обеим сторонам объекта.

Концентрация жидкостей, плотность гидросмесей. Коэффициент смешивания может быть соотнесен со скоростью ультразвука.

Контроль качества продуктов питания

Существует широкий диапазон областей применения ультразвука, которые включают:

• → Определение возраста яиц и картофеля
• → Степени зрелости фруктов
• → Содержания жира в мясе
• → Твердых частиц в молоке

Ультразвук не вызывает порчи и загрязнения продуктов. Это важно.

Структурный анализ

Размеры и распределение частиц, пористость. Изменения размеров или распределения частиц и пористости в твердых или жидких средах влияют на амплитуду и частоту рассеиваемого ультразвука.

Это свойство используется для определения:

Измерение очень высоких температур (свыше 3000°С) на основании данных об изменении скорости ультразвука в материале.

Вихретоковый контроль: визуализация подповерхностного слоя

Принцип действия

Методы вихретокового контроля основаны на возбуждении в исследуемом объекте вихревых токов путем генерации магнитного поля.

Неоднородности материала или изменения его толщины меняют направление движения вихревых токов и, как следствие, значение и фазу напряжения на датчике.

Это свойство дает возможность визуализации подповерхностного слоя объекта. Для контроля сварных швов вихретоковые методы применяются в комбинации с методом ультразвукового контроля.

Контроль теплообменников

Способность вихретокового поля распространяться по большим площадям обуславливает применение этого метода для контроля теплообменников, прежде всего состояния труб — например, возникновения в них дефектов типа очагов коррозии, трещин.

При этом теплообменник может состоять из большого количества труб, и для каждой трубы требуется провести мониторинг состояния и задокументировать результаты.

Подобные требования удовлетворяются с применением специальных программных средств, интегрированных в приборы контроля.

Другие применения

Эти же свойства поля позволяют применять метод для определения:

• ✔ Толщины лакокрасочного покрытия
• ✔ Состояния поверхности клапанов
• ✔ Состояния поршней

Эндоскопический контроль: диагностика в труднодоступных местах

Визуальная диагностика

Методы эндоскопического контроля позволяют проводить визуальную диагностику промышленных устройств в жестких условиях.

Метод реализуется, в том числе, и за счет подбора щупов, объективов и другого оборудования под конкретную задачу контроля.

Видеоскопы с длинной рабочей частью позволяют осматривать сварные соединения в труднодоступных местах. Иногда эндоскопы оборудуются источником ультрафиолетового света, что позволяет обнаруживать мелкие трещины.

Основные задачи

Основное применение эндоскопического контроля лежит в:

Практическое применение

Эндоскопическим инструментом можно проводить:

• ★ Контроль отложений нагара без разборки двигателя автомобиля
• ★ Контроль качества антикоррозионного покрытия
• ★ Контроль форсунок
• ★ Контроль элементов турбокомпрессора

Высокоскоростная видеосъемка: 150 000 кадров в секунду

Технические возможности

Скоростные видеокамеры способны производить съемку со скоростью 150 000 кадров в секунду.

Пользователи могут отслеживать правильность функционирования быстродействующего оборудования, увеличить его производительность и уменьшить стоимость затрат на обслуживание.

Кадры видеосъемки захватываются, оцифровываются и помещаются во встроенную память видеокамеры. Совместно с видеокамерой может прилагаться программное обеспечение, позволяющее оператору анализировать и улучшать полученные материалы. Также могут быть произведены измерения скорости и расстояния.

Применение в автомобилестроении

Высокоскоростная видеосъемка находит широкое применение в автомобилестроении. Оборудование используется для фиксации быстро протекающих процессов, например:

• ☑ При краш-тестах
• ☑ Оценке работы подушек безопасности
• ☑ Оценке работы ремней безопасности

Замедленное воспроизведение отснятого материала позволяет производить детальный анализ перемещений и скоростей объектов.

Например, сочетание высокоскоростной видеокамеры, гибкого или жесткого эндоскопа позволяет визуализировать быстро протекающие процессы внутри коробок передач или элементов подвески.

Кроме того, технология позволяет проследить развитие ситуации в случае отрыва лопатки при высоких скоростях вращения турбины.

Вибродиагностика: снижение затрат на ремонт оборудования

Вибрация как информативный параметр

Наиболее простым и информативным параметром для оценки состояния агрегата является вибрация.

Процедура вибродиагностики может применяться на этапах:

Ресурсосберегающая технология

Техническая диагностика и вибродиагностика — это ресурсосберегающая технология, квалифицированное использование которой существенно снижает затраты на обслуживание и ремонт оборудования.

Основным принципом обслуживания является постоянный мониторинг информации о состоянии агрегатов, контроль и документирование отклонений от норм:

• → При вводе оборудования в эксплуатацию
• → Во время первичного монтажа
• → После ремонта
• → При выводе в ремонт
• → При продлении срока службы

Цели вибродиагностики

Целью проведения вибродиагностики является снижение эксплуатационных затрат и оптимизация обслуживания оборудования за счет совершенствования технического обслуживания.

Предметом диагностики является ряд факторов, состояние которых необходимо также учитывать при обслуживании и ремонте техники:

• ✖ Отклонения от технологического процесса, вызывающие повышенные нагрузки, перегрев, изменение вибрационного состояния
• ✖ Несвоевременное обнаружение дефектов и, как следствие, доведение агрегатов до критического состояния и некачественное выполнение ремонтов
• ✖ Внесение дефектов при монтаже-демонтаже узлов
• ✖ Вывод в ремонт исправного оборудования
• ✖ Установка дефектных или восстановленных узлов с уменьшенным ресурсом
• ✖ Низкая квалификация обслуживающего и ремонтного персонала

Статистика замен оборудования

На сегодняшний день, как правило, не исследуются среднестатистические величины долей оборудования и узлов, которые демонтируются и заменяются по причине естественного физического износа.

По некоторым оценкам, эта величина составляет иногда всего 10%. Остальные 90% могут быть заменены без достаточных оснований под влиянием следующих факторов:

Оценка состояния

Такая ситуация предполагает необходимость оценки состояния технического объекта (отдельного узла или агрегата в целом) для определения возможностей дальнейшей эксплуатации.

Оценка состояния технического объекта перед использованием позволяет принять обоснованное решение о возможности или целесообразности его применения.

Это касается, прежде всего:

• ✓ Отдельных приводов
• ✓ Подшипников качения и скольжения
• ✓ Других запасных частей

Неразрушающий контроль — это не просто проверка качества. Это комплексный подход к обеспечению надежности и безопасности производства. От ультразвуковой диагностики до вибродиагностики — каждый метод вносит свой вклад в предотвращение аварий и снижение затрат.

К.Л. Разумов-Раздолов
ООО «Русэлпром»
email: rrkl@ruselprom.ru

"