Неразрушающий контроль в промышленности

Различают следующие виды неразрушающего контроля: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический, проникающими веществами: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический, проникающими веществами.

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: эдноскопический контроль, скоростная видеосъемка (оптический вид).

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: эдноскопический контроль, скоростная видеосъемка (оптический вид).

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. Это позволяет не только автоматизировать процесс контроля, т.е. сделать его дешевле и независящим от человеческого фактора, но и 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 неразрушающий контроль основывается на простом физическом принципе: на характеристики любых волн оказывает влияние среда, в которой эти волны распространяются. Т.о. изменение значений одного или нескольких параметров высокочастотной ультразвуковой волны, зондирующей материал (время прохождения, степень ослабления, степень рассеяния и характеристики частотной составляющей) часто свидетельствует об изменениях таких физических свойств материала, как твердость, упругость, плотность, однородность или зернистость. 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, измеряемые при использовании ультразвукового метода контроля.

Основывается на простом физическом принципе: на характеристики любых волн оказывает влияние среда, в которой эти волны распространяются. Т.о. изменение значений одного или нескольких параметров высокочастотной ультразвуковой волны, зондирующей материал (время прохождения, степень ослабления, степень рассеяния и характеристики частотной составляющей) часто свидетельствует об изменениях таких физических свойств материала, как твердость, упругость, плотность, однородность или зернистость. 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, измеряемые при использовании ультразвукового метода контроля.

• 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. Т.о. изменения скорости волны характеризует однородность материалов, изменения упругости или плотности.

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

• 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.

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

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.

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 одних случаях в качестве излучающего и приемного выступает один преобразователь, размещенный с одной стороны объекта контроля (эхоимпульсный режим). В других случаях, особенно при контроле материалов с высокой степенью ослабления или рассеяния ультразвука, используются два преобразователя (излучающий и приемный), размещаемые на противоположных сторонах объекта контроля (режим сквозного прозвучивания). Ультразвуковая волна формируется возбуждением преобразователя электрическими импульсами (ударного или незатухающего типа). 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.

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.

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.
• Качество продуктов питания. Сущест­вует широкий диапазон областей применения ультразвука, которые включают определение возраста яиц и картофеля, степени зрелости фруктов, содержание жира в мясе и твердых частиц в молоке. Ультразвук не вызывает порчи и загрязнения продуктов.
• 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 однородности обожженной керамики, изменений размеров зерен или их ориентации в стали, чугуне и других металлах при контроле качества сварных швов, глубины термообработки сталей.
• Измерение очень высоких температур (свыше 3000°С) на основании данных об изменении скорости ультразвука в материале.
• 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.

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.

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. Эти же свойства поля позволяют применять метод для определения толщины лакокрасочного покрытия, поверхности клапанов, поршней.

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.

Основное применение эндоскопического контроля лежит в идентификации очагов коррозии, определении непроваренных швов и определении линейных размеров или повреждений в ответственных и труднодоступных местах.

Эндоскопическим инструментом можно проводить контроль отложений нагара без разборки двигателя автомобиля, контроль качества антикоррозионного покрытия, форсунок, элементов турбокомпрессора.

Методы скоростной видеосъемки

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.

Высокоскоростная видеосъемка находит широкое применение в автомобилестроении. Оборудование используется для фиксации быстро протекающих процессов, например, при краштестах, оценке работы подушек и 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

Наиболее простым и информативным параметром для оценки состояния агрегата является вибрация. Процедура вибродиагностики может применяться на этапах: входного контроля, для периодического и непрерывного мониторинга оборудования с вращающимися рабочими частями, диагностики состояния оборудования (в т.ч. станочного), приемосдаточных испытаний. 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 и после ремонта, выводе его в ремонт, продлении срока службы. 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, например:

• 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.

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:

• непонимание персоналом поставленных перед ним задач;

• недостаточная квалификация персонала или невнимательность;

• недостаточная степень оснащенности производства техническим и инструментальным оборудованием, позволяющим правильно и своевременно определять состояние агрегатов или производить ремонт.

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.

К.Л. РазумовРаздолов
ООО «Русэлпром»
email: rrkl@ruselprom.ru

"