Лабораторна робота № 10 виявлення дефектів капілярним методом

Мета роботи: набути практичні навики проведення капілярного контролю.

Програма роботи

1. Ознайомлення з теоретичними основами капілярного контролю.

2. Підготовка об’єкта до проведення контролю.

3. Проведення технологічних операцій капілярного контролю.

4. Оцінка результатів проведеного контролю.

Обладнання: зразки металевих виробів для контролю; лампи денного та ультрафіолетового світла; проявник пенетрантів; лупи оглядові з різним збільшенням; лупа вимірювальна; лінійка вимірювальна; штангенциркуль; промисловий набір для кольорового пенетрантного контролю в аерозольній упаковці; кольоровий пенетрант в звичайній тарі; ахроматичний пенетрант; люмінесцентний пенетрант; стенд; розчинники; серветки; пензлі; вентилятори; люмінесцентний екран.

Теоретичні відомості

Капілярний метод контролю базується на капілярному проникненні індикаторної рідини в порожнині поверхневих несуцільностей матеріалу об’єкта контролю і реєстрації утворених індикаторних слідів візуально чи за допомогою перетворювача. Залежно від використовуваного пенстрата індикаторні сліди можуть мати яскравісні та кольорові контрасти, які розглядаються в капілярному контролі з точки зору можливості людського зору фіксувати люмінесцентне свічення, кольорові чи темні індикації на світлому фоні.

При нанесенні на поверхню об’єкта контрастної рідини остання змочує поверхню матеріалу та заповнює несуцільності (тріщини, раковини тощо) за рахунок капілярного всмоктування. Якщо розглядати ідеалізовану несуцільність поверхні виробу як капіляр радіусом , то за рахунок сил змочування рідина в капілярі піднімається на висоту над поверхнею. Сили змочування діють на одиницю довжини кола меніска рі

дини всередині капіляра. Сумарна їх величина рівна:

(10.1)

де – коефіцієнт поверхневого натягу рідини;

– крайовий кут змочування поверхні виробу рідиною, який визначається як кут всередині краплі рідини між поверхнею твердого тіла та дотичною до профілю краплі (рис. 10.1), проведеної через точку контакту профілю краплі з поверхнею тіла.

а – рідина змочує тверде тіло; б – рідина не змочує тверде тіло

Рисунок 10.1 – Крапля рідини на змочуваній (а) та

незмочуваній (б) поверхнях

Основою пенетрантів найчастіше є гас, який добре розчинює олійні плівки, які часто вкривають поверхню матеріалів, а іноді знаходяться і в несуцільностях. Крім того, гас не розчинюється у воді, має високу температуру самозагоряння (610 С), низьку температуру затвердіння (-80 С) і, що дуже важливо, не викликає корозійної дії.

Силі змочування протидіє вага стовпця рідини (рис. 10.2)

(10.2)

де – густина рідини;

– прискорення сили тяжіння.

У стані рівноваги буде:

(10.3)

Звідси висота капілярного підняття

Рисунок 10.2 – Підняття рідини в змочуваному капілярі

Тут сили змочування розглядались як прикладені до лінії контакту рідини і поверхні твердого тіла (капіляра). Їх можна розглядати також як силу натягу поверхні меніска, який утворює рідина в капілярі. Ця поверхня представляє собою ніби розтягнуту плівку, яка прагне скоротитися. Тому виникає капілярний тиск, який рівний

(10.4)

Капілярний тиск спрямований в сторону із вгнутої поверхні меніска до центру, збільшується при покращенні змочування ( ), при зменшенні радіуса капіляра , а також при збільшенні коефіцієнта поверхневого натягу рідини. Останній залежить від внутрішніх сил взаємного притягання рідини. Молекули, які знаходяться всередині речовини, зазнають із сторони інших молекул в середньому однакової дії в усіх напрямках. Ті ж молекули, які знаходяться на поверхні, піддаються неоднаковому притяганню з боку внутрішніх шарів речовини і з боку середовища, яке межує з поверхнею речовини.

Поведінка системи молекул визначається умовою мінімуму вільної енергії, тобто тієї частини потенціальної енергії, яка ізотермічно може перетворитись в роботу. Вільна енергія молекул на поверхні рідини твердого тіла більша чим внутрішніх молекул, коли рідина чи тверде тіло знаходяться в газі (або у вакуумі). У зв’язку з цим вони прагнуть набути форму з мінімальною зовнішньою поверхнею. У твердому тілі цьому перешкоджають великі сили внутрішніх зв’язків, які зберігають його форму, а рідина в умовах відсутності сили тяжіння (або коли нею можна знехтувати) набуває форму кулі. Тобто

поверхні рідин і твердих тіл прагнуть зменшитись, тому виникає тиск поверхневого натягу. Величину поверхневого натягу визначають роботою, яка необхідна для утворення одиниці площі поверхні розділення двох фаз, які знаходяться в рівновазі. Її часто називають силою поверхневого натягу. Тому, якщо на межі розділення середовищ виділити довільну площадку, то результатом дії розподіленої сили, прикладеної до периметра цієї площадки можна розглядати як натяг. Сили спрямовані по дотичній до межі розділення фаз і перпендикулярно периметру. Силу, яка відноситься до одиниці довжини периметра, називають коефіцієнтом поверхневого натягу .

Коефіцієнт поверхневого натягу характеризує властивість самої рідини, а величина , яку називають силою змочування, характеризує змочуваність цією рідиною поверхні даного твердого тіла. Сила змочування розтягує краплю рідини по поверхні твердого тіла і залежить вона від характеру взаємодії молекул рідини і твердого тіла. Великий вплив на змочування має чистота поверхні. Наприклад, шар олії на поверхні металу чи скла різко погіршує її змочуваність водою, тоді крайовий кут змочування стає більшим 90. Тоненький шар якого-небудь мастила тощо на поверхні об’єкта контролю і тріщин дуже заважає застосуванню пенетрантів на водяній основі.

У більш загальному вигляді вираз для визначення капілярного тиску відомий як формула Лапласа

(10.5)

де і — радіуси кривизни поверхні меніска у двох взаємоперпендикулярних площинах.

Якщо замість капіляру взяти щілину шириною із плоскопаралельними стінками, то для неї: .

У результаті в щілині капілярний тиск буде

. (10.6)

На явищі капілярного підняття базується просочування

дефектів пенетранстом. Якщо розглянути розміщену горизонтально капілярну трубку, один кінець якої відкритий, а другий поміщений у змочуючу рідину, то під дією капілярного тиску меніск рідини рухається в напрямі відкритого кінця. Пройдена меніском відстань зв’язана з часом такою наближеною залежністю

(10.7)

або навпаки

(10.8)

де — коефіцієнт динамічної в’язкості рідини.

З формули (10.8) видно, що час, необхідний для проходження пенетрантом через наскрізну тріщину, зв’язаний із товщиною стінки . в якій виникає тріщина, поперечним розміром тріщини (радіусом) , силою змочування та в’язкістю рідини.

У конічному капілярі стовпчик рідини переміщується у вузькіший кінець без сполучення капіляру з рідиною в посудині внаслідок різниці тисків , яка виникає із-за різної кривизни менісків в різних поперечних перерізах конічного капіляра (рис. 10.3, рис. 10.4).

Рисунок 10.3 – Переміщення пенетранта в горизонтальному капілярі

Рисунок 10.3 — Стовпчик рідини в конічному капілярі

З формули (10.4) видно, що при випливає , тому

(10.9)

що і приводить до переміщення стовпчика рідини вправо.

Заповнення тупикового капіляру відрізняється тим, що газ (повітря), стиснутий в тупиковому кінці, обмежує глибину проникнення пенетранта.

У простому випадку циліндричного тупикового капіляру граничну глибину заповнення можна визначити, використовуючи такі міркування. Рідина проникає в капіляр під дією суми тисків – атмосферного і капілярного – до тих пір, поки тиск в тупику не зрівняється із зовнішнім. Цей внутрішній тиск визначається із закону Бойля-Маріотта, враховуючи, що спочатку тиск всередині був теж атмосферний:

,

(10.10)

Із рівності тисків знаходимо глибину заповнення тупикового капіляру

(10.11)

Оскільки , та глибина заповнення розрахована за формулою (10.11), становить не більше 10% всієї глибини тупикового капіляру. Картина заповнення реальних тупикових капілярів чи тріщин набагато складніша, чим тупикових капілярів постійного перерізу, і у них глибина заповнення ще менша, чим у останніх.

Після капілярного заповнення порожнини дефекта пенетрантом, яке згідно (10.8) відбувається досить швидко, в тупикових порожнистих дефектах продовжується процес дифузійного заповнення, який є значно повільнішим (в 1001000 раз), але ним не слід нехтувати і він враховується у рекомендованих на практиці методиках контролю.

Усунення надлишку пенетранта з поверхні ОК звичайно виконують за допомогою рідини – очисника. Останній підбирають таким, щоб він добре усував пенетрант із поверхні, але в мінімальній мірі вимивав його із порожнини дефекту.

Для проявлення дефектів використовують дифузійні і адсорбційні проявники. До перших належать білі фарби або лаки, які швидко сохнуть, а до других – порошки або суспензії. Процес дифузійного проявлення полягає в тому, що рідкий проявник контактує з пенетрантом в горловині дефекта і сорбує його. Потім пенетрант дифундує в проявник: спочатку – як в шар рідини, а після висихання фарби – як в тверде тіло з капілярними порами. При використанні проявника у вигляді суспензії спочатку відбувається адсорбція пенетранта і його дифузія та розчинення в рідкій фазі суспензії. Після висихання суспензії відбувається дифузія як в капілярно-пористому тілі.

Процес проведення капілярного (пенетрантного) контролю полягає в наступному. Спочатку поверхню ОК очищують різними способами (механічним, фізико-хімічним, хімічним) від забруднень, окалини, шлаків, жирових плям тощо з метою повного відкриття горловин зовнішніх дефектів і найкращого змочування об’єкта контролю пенетрантом.

Після механічного зачищення, потім очищення та промивання поверхні ОК проводять осушування останнього, використовуючи обдування, нагрівання для інтенсифікації виси

хання ОК.

Просочування ОК пенетрантом виконують зануренням у ванну, намащуванням пензлем, поливанням, розбризкуванням пульверизатором чи із перозольного балона. Пенетрант залишають на поверхні ОК від 10 до 30 хв., а в середньому — 20 хв. Для інтенсифікації просочування використовують вакуумування ОК перед нанесенням пенетранту, дію підвищеного тиску після нанесення пенетранту, вібрацію ОК, дію ультразвуку тощо.

Після закінчення процесу насичення ОК пенетрантом усувають з поверхні ОК залишки пенетранту спочатку сухими, а потім звільненими салфетками. Оскільки пенетрант повинен залишитись у несуцільностях ОК, то речовина для очищення не повинна розчиняти пенетрант. Наприклад, для пенетрантів на основі скипидару очищувачем служить вода. Очищення поверхні ОК від залишків пенетранту закінчується осушуванням.

Вкінці на поверхню ОК наноситься проявник. Спосіб нанесення залежить від типу проявника та його заводської упаковки. Важливо наносити проявник рівномірно тонким (порядку 0,1 мм) суцільним шаром.

Товстіший шар проявника приведе до того, що мала кількість пенетранту із тріщин, пор і інших дефектів не досягне поверхні шару проявника.

Час проявлення для різних видів проявників становить від 5 до 25 (в середньому 15) хв. Рідкі проявники обов’язково повинні висохнути. Важлива вимога до дефектоскопічних матеріалів — їх сумісність. Вибраний пенетрант повинен добре змочувати поверхню матеріалу, змиватися очищувачем без вимивання з дефектів, проявлятись рекомендованим проявником. Тому дефектоскопічні матеріали рекомендується застосовувати у вигляді наборів, які випускаються промисловістю.

Завершальним етапом пенетрантного контролю є огляд ОК. При використанні кольорових чи ахроматичних пенетрантів слід забезпечити добре освітлення поверхні ОК.

Рівень освітленості ОК визначають за допомогою люксметра, хоча на практиці дуже часто встановлюють освітленість ОК апріорним методом.

Ультрафіолетову опроміненість об’єкта слід встановлювати обов’язково з використанням люксметрів типу Ю-16,

Ю-116 тощо.

У затемненій лабораторії встановлюють під кутом 45до осі пучка ультрафіолетових променів білий люмінесцентний екран, виготовлений згідно ГОСТ 18442-80 на місце ОК, щоб забезпечувалась однакова опроміненість ОК чи екрану. Паралельно до екрану на віддалі 70 мм розміщують давач люкс-метра із світлофільтром із скла типу ЖС4 товщиною 5 мм. Оскільки такий світлофільтр пропускає видиме світло і затримує ультрафільтрове випромінювання, то ультрафіолетову опроміненість визначають за показами люксметра у відносних одиницях. За відносну одиницю інтегральної опроміненості приймають опроміненість, при якій люмінесцентний екран випромінює світловий потік, який створює освітленість в 1 лк.

Перевіряють також підсвічування об’єкта контролю видимим світлом, яке також випромінюється ультрафіолетовим опромінювачем. Для цього давач люксметра з фільтром розміщують на місці екрану. Підсвічування не повинно перевищувати 30 лк. Загальне освітлення в затемненій лабораторії не повинно перевищувати рівня 10 лк.

Загальна освітленість робочого місця при використанні ламп розжарення повинна бути 200…500 лк, при комбінованому освітленні – 500…2500 лк, а при використанні люмінесцентних ламп денного світла освітленість повинна бути відповідно 300…750 лк і 750…3000 лк.

При люмінесцентному способі контролю огляд проводять в затемненій кімнаті з підсвіткою світлом не більше 10 лк. Для люмінесценції дефектів використовують ультрафіолевове випромінювання ртутними лампами з довжиною хвилі 315-400 нм. Ультрафіолетова опроміненість ОК повинна бути в межах 750…3000 мкВт/см².

Чим глибший дефект, тим швидше проявляється його зображення, тим більші яскравість і розмір індикацій. Тому доцільно проводити огляд 2 рази і через 5-10 хв. після початку проявлення, коли глибокі дефекти дають чіткі індикації, які правильніше відображають форму дефекта, і в кінці проявлення, коли індикації від глибоких дефектів розпливлись, але стали помітними індикації від неглибоких дефектів. Результати контролю реєструють згідно затверджених методик.

Чутливість капілярного неруйнівного контролю визначають за розміром найменших, виявлюваних дефектів. Згідно

стандарту основним параметром дефекта, за яким оцінюють чутливість, служить ширина його розкриття, при умові, що його глибина повинна бути більшою.

Поріг чутливості конкретного вибраного способу капілярного контролю залежить від умов контролю і вибраних дефектоскопічних матеріалів, Встановлено п’ять класів чутливості залежно від розмірів дефектів.

Класи чутливості визначаються згідно табл. 10.1.

Таблиця 10.1 — Класи чутливості капілярного контролю

Клас чутливості	Мінімальна ширина розкриття дефекта, мкм
1	менше 1
2	1…10
3	10…100
4	100…500
Технологічний	не нормується

Для досягнення високої чутливості треба використовувати висококонтранстні пенетранти, які добре змочують, проявники у вигляді фарб чи лаків (замість порошків і суспензій), використовувати люмінесцентні пенетранти, збільшувати опроміненість об’єкта контролю.

Хід роботи

1. Провести механічне заочищення поверхні об’єкта контролю від забруднень, окалини, флюсу, використовуючи інструменти для металообробки (зубила, напильники тощо), абразивні матеріали та щітки.

2. Провести очищення ОК миючими засобами та розчинниками для усунення залишків забруднень, продуктів механічного заочищення (абразивна пилюка, шліфувальна паста) та жирових плям.

3. Провести осушування ОК з видаленням залишків миючих рідин і розчинників із порожнин дефектів. Для прискорення сушіння доцільно використовувати обдування ОК теплим повітрям.

4. Нанести на поверхню ОК за допомогою пензля чи валика тонкий шар пенетранту. При наявності пенетранту у

аерозольній упаковці розміщують балончик паралельно поверхні ОК на відстані порядку 30 см, спрямувавши отвір сопла в бік ОК, і, натиснувши на головку балона, рівномірно розпилювати пенетрант на поверхню ОК так, щоб на поверхні ОК не утворювались патьоки.

5. Після закінчення процесу просочування через 15-20 хв. порожнин дефектів ОК видалити залишки пенетранту з поверхні ОК за допомогою спочатку сухих чистих серветок, а потім — злегка зволожених встановленим очисником.

6. Після осушення ОК нанести на поверхню ОК проявник. Процес нанесення проявника аналогічний процесу нанесення пенетранту в п. 4. Витримати час проявлення (5-25 хв.) залежно від виду проявника.

7. Встановити об’єкт контролю на місце проведення його огляду (стенд, підйомник тощо) в положення, зручне для проведення огляду.

8. Встановити необхідний рівень освітлення об’єкта контролю залежно від визначеної чутливості контролю для даного об’єкта при використанні кольорових чи ахроматичних пенетрантів або необхідний рівень ультрафіолетової опроміненості при використанні люмінесцентних пенетрантів.

9. Після цього провести візуальний (при необхідності візуально-оптичний) огляд ОК. Перший раз — для виявлення великих дефектів — через 5-10 хв. після початку проявлення, коли індикації від глибоких дефектів ще не розплилися. Другий раз — в кінці процесу проявлення (через 15-25 хв.), коли індикації від глибоких дефектів розпалились, але появились і стали помітнішими індикації від неглибоких дефектів.

10. Результати контролю реєструють в журналі (і на бланках для кожного ОК, якщо це встановлено методикою контролю) і встановлюють висновок про ОК.

11. Після закінчення процесу контролю здійснюють завершальне очищення ОК від проявника і пенетранта.

Контрольні запитання

1. В чому полягає суть капілярного контролю?

2. На основі яких фізико-хімічних явищ відбувається капілярний контролю?

3. Які є види пенетрантів?

4. Як відбувається процес капілярного контролю?

Рекомендована література

1. Гурвич А.К., Ермолов И.Н., Сажин С.Г. Неразрушающий контроль. Книга 1. Под ред. Сухорукова В.В. М.: Высшая школа. — 1992.

ДОДАТОК

Перелік завдань для розрахунково-графічних

робіт з дисципліни «Контроль проникаючими випромінюваннями і речовинами»

1 .Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів стального трубопроводу діаметром 1400 мм і товщиною стінки 20 мм.

2. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів стального трубопроводу діаметром 1040 мм і товщиною стінки 18 мм.

3. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів стального трубопроводу діаметром 700 мм і товщиною стінки 12 мм.

4. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів стального трубопроводу діаметром 240 мм і товщиною стінки 5 мм.

5. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів встик плоских виробів товщиною 24 мм.

6. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів встик плоских стальних виробів товщиною 14 мм.

7. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів встик стальних плоских виробів товщиною 8 мм.

8. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів внакладку плоских виробів товщиною 4 мм.

9. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів внакладку плоских стальних виробів товщиною 2 мм.

10. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів під прямим стальних кутом плоских виробів товщиною 4 мм.

11. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів під прямим стальних кутом плоских виробів товщиною 8 мм.

12. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів під прямим кутом плоских стальних виробів товщиною 10 мм.

13. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю литих чавунних плоских виробів товщиною 28 мм.

14. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю литих чавунних неплоских виробів товщиною 32 мм.

15. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю литих бронзових неплоских виробів товщиною 42 мм.

16. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю литих алюмінійових неплоских виробів товщиною 8 мм.

17. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю литих алюмінійових неплоских виробів товщиною 14 мм.

18. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів під прямим кутом плоских титанових виробів товщиною 3 мм.

19. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів під прямим кутом плоских титанових виробів товщиною 5 мм.

20. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю литих чавунних неплоских виробів товщиною 62 мм.

21. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю литих чавунних неплоских виробів товщиною 94 мм.

22. Визначити параметри схеми просвічування та час експозиції для контролю зварених швів встик стальних плоских виробів товщиною 40 мм.