Учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Технология обслуживания, ремонта и консервация судов для специальности 1-37 03 02 Кораблестроение и техническая эксплуатация водного транспорта

1.3.5 Технические средства дефектоскопии

Наружным осмотром и измерениями удается выявить далеко не все дефекты деталей механизмов и конструкций. Поэтому при ремонте механизмов широко применяют технические средства, в частности гидравлические и воздушные испытания.

Эти испытания используют для определения достаточной прочности и плотности паровых котлов, систем, конструкций корпуса, а также узлов и деталей механизмов, которые во время работы подвергаются давлению пара, газа или жидкости.

Гидравлические испытания заключаются в том, что испытываемая конструкция в зависимости от ее назначения заполняется водой под напором или без напора. Конструкцию считают непроницаемой, если на проверяемых поверхностях не обнаружено течи в виде струй и стекающих капель.

При воздушных испытаниях конструкцию заполняют сжатым воздухом. Значение избыточного давления принимают таким, чтобы напряжения, возникающие в материале, не превышали 0,8 предела текучести.

После заполнения конструкции сжатым воздухом все проверяемые поверхности смачивают мыльным водным или специальным пенообразующим раствором, который позволяет обнаруживать неплотности, т.е. сквозные дефекты.

Конструкция считается непроницаемой, если падение давления сжатого воздуха не превышает нормы, установленной в зависимости от назначения конструкции.

1.3.6 Физические неразрушающие методы контроля

Неразрушающие методы контроля качества продукция – это методы,

применение которых не нарушает пригодность детали к использованию по назначению.

Физические неразрушающие методы контроля предназначены для обнаружения поверхностных, подповерхностных и внутренних дефектов, а также определения структуры и свойств металла, полученных в результате различных видов упрочняющей обработки.

В дефектоскопии существует большое количество неразрушающих методов контроля, основанных на различных физических явлениях и закономерностях.

Из всего их многообразия в судоремонте нашли применение следующие методы:

−магнитопорошковый;

−ультразвуковой;

−вихретоковый;

−капиллярные;

−рентгено - и гаммаграфирование.

Магнитопорошковый метод контроля предназначен для обнаружения поверхностных и подповерхностных (на глубине не более 2 мм) дефектов в деталях, изготовленных из ферромагнитных металлов. Этим методом могут быть выявлены усталостные, шлифованные и термические трещины, волосовины, закаты.

Для ферромагнитных металлов метод обладает наиболее высокой чувствительностью по сравнению с другими неразрушающими методами.

51

Физическое существо метода заключается в создании магнитного поля рассеивания над дефектом при намагничивании детали и выявлении этого поля при помощи магнитного порошка.

Если деталь имеет форму цилиндра и ее материал однороден по магнитным свойствам, то при ее намагничивании силовые линии поля будут распространяться в нем, не изменяя направления. В случае нарушения однородности металла дефектом, например, трещиной, возникает участок с пониженной магнитной проницаемостью, и магнитные силовые линии изменяют свое направление.

При определенных условиях магнитные силовые линии, огибая дефект, могут выйти за пределы детали, т.е. образовать поле рассеивания. Напряженность поля рассеивания над дефектом, а, следовательно, и его выявляемость, зависит в основном от трех факторов:

−ориентации плоскости дефекта к направлению магнитного потока;

−глубины залегания дефекта;

−напряженности намагничивающего поля.

Наилучшая выявляемость дефекта обеспечивается в том случае, когда его плоскость расположена перпендикулярно направлению магнитного потока. С этой целью осуществляют следующие способы намагничивания деталей при контроле:

1.продольный;

2.циркулярный;

3.комбинированный.

При продольном способе намагничивания магнитное поле направлено вдоль детали, образуя на ее концах магнитные полюса (рисунок 1.14).

При циркулярном способе намагничивания магнитное поле замыкается в детали, не образуя на ее концах магнитных полюсов (рисунок 1.15).

Комбинированный способ предусматривает намагничивание детали двумя и более магнитными полями с различным направлением (рисунок 1.16).

52

Рисунок 1.16 – Схема комбинированного способа намагничивания

При циркулярном способе намагничивания будут выявлены продольные дефекты при продольном — дефекты, направленные, как правило, перпендикулярно оси детали, а при комбинированном — дефекты, ориентированные в любом направлении относительно оси детали.

Отсюда следует, что выбор способа намагничивания детали определяется предполагаемым, в зависимости от характера действующих нагрузок, направлением дефектов.

Применяют два способа магнитопорошкового контроля:

1.в приложенном магнитном поле;

2.в поле остаточной намагниченности.

Контроль в приложенном поле предусматривает нанесение на поверхность контролируемой детали магнитного порошка в период действия намагничивающего поля. В это время происходит формирование индикаторного следа дефекта.

Контроль в поле остаточной намагниченности осуществляется при нанесении на поверхность детали магнитного порошка после намагничивания детали. Формирование индикаторного следа дефекта происходит под действием остаточного поля рассеивания.

Способ приложенного поля можно применять при контроле деталей, изготовленных из любого ферромагнитного металла, имеющего относительную магнитную проницаемость не менее 40.

Способом остаточной намагниченности контролирует детали, металл которых обладает достаточной коэрцитивной силой и индукцией для образования рассеивания над дефектом необходимой напряженности.

При неизвестных магнитных характеристиках металла контролируемой детали должен применяться способ контроля в приложенном поле.

Индикатором дефектов при магнитопорошковом методе контроля является магнитный порошок (рисунок 1.17).

53

Рисунок 1.17 – Индикаторный след дефекта

При контроле деталей со светлой поверхностью рекомендуется использовать черные порошки, с темной поверхностью – магнитолюминисцентные порошки.

Применяют два способа нанесения магнитного порошка на поверхность

контролируемой детали: сухой и мокрый.

Сухой способ нанесения порошка осуществляется напылением его на деталь или окунанием в воздушную взвесь порошка.

Мокрый способ предусматривает нанесение на поверхность деталей магнитной суспензии (взвесь магнитного порошка в масле, воде или керосине) чаще всего поливом. Мокрый способ нанесения магнитного порошка наиболее широко распространен па практике.

Чувствительность магнитопорошкового метода контроля определяется рядом факторов, основными из которых являются:

1.напряженность магнитного поля;

2.взаимное направление магнитного поля и плоскости дефекта;

3.шероховатость поверхности деталей;

4.магнитные характеристики металла детали;

5.качество магнитного порошка или суспензии.

ГОСТ 21105-87 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод» устанавливает три условных уровня чувствительности в зависимости от размеров выявляемых поверхностных дефектов.

Таблица 1.2 – Условные уровни чувствительности при магнитопорошковом контроле при протяженности дефектов более 2000 мкм

Условный уровень чувствительности А может быть достигнут при контроле деталей с шероховатостью не выше Ra ≈ 1,6 мкм, а уровни чувствительности Б и В – с параметрами микрорельефа Rz ≤ 40.

В зависимости от требуемой чувствительности контроля и магнитных свойств метала контролируемой детали определяют режимы намагничивания – напряженность поля и силу намагничивающего тока.

54

Размагничивание, независимо от способа его проведения, заключается в перемагничивании детали в периодически изменяющемся магнитном поле с постепенным уменьшением его индукции до нуля.

Допускается не размагничивать детали, если она не имеют трущихся поверхностей, их намагниченность не затрудняет сборку узлов и не влияет на показания окружающих приборов, а также в том случае, если они после контроля подвергаются нагреву выше 650°С.

Для проведения магнитопорошкового контроля используют соответствующие дефектоскопы, которые подразделяют на универсальные и специализированные. Универсальные дефектоскопы предназначены для контроля деталей большой номенклатуры и обеспечивают регулировку режимов в широких пределах. Специализированные дефектоскопы предназначены для контроля деталей одного наименования.

Универсальные дефектоскопы изготавливают в стационарном, передвижном и переносном исполнениях.

На предприятиях речного транспорта магнитопорошковым методом контролируют все основные детали дизелей при капитальном ремонте в специализированных цехах, а также детали валовой группы и винторулевого комплекса при нахождении судна на стапеле.

Ультразвуковой метод контроля предназначен для выявления внутренних и поверхностных дефектов в деталях относительно простой – конфигурации и сварных швах. Могут быть обнаружены дефекты, типа раковин, трещин, шлаковых включений, флокенов; расслоений и отслоений.

При контроле ультразвуком возможно определить координаты залегания дефектов. Характер дефектов в большинстве случаев определить не удается.

Ультразвук – это механические колебания среды с частотой свыше 20 тысяч герц. Ультразвуковой метод контроля основан на исследовании процесса

распространения ультразвуковых колебаний (УЗК) в контролируемом материале.

В ультразвуковых дефектоскопах обычно используются частоты: 0,6; 1,8; 2,5 и 5

МГц.

Ультразвуковые колебания таких частот обладают свойствами направленного распространения в упругой однородной среде и могут проникать на значительную глубину. Наличие каких-либо неоднородностей в среде искажает картину распространения колебаний, вызывая их отражение и преломление.

Направленность распространения УЗК и отражение их от границы раздела двух сред (например, металл–воздух) являются физическими закономерностями, лежащими в основе ультразвукового метода контроля.

Ультразвуковые колебания для целей дефектоскопии обычно получают с помощью пьезоэлектрических пластин – вибраторов, которые обладают тем свойством, что при подаче на них электрических сигналов пластины изменяют свои размеры с частотой, равной частоте подаваемого тока, и, наоборот, при деформации пластины на ее поверхности появляются электрические заряды.

55

Таким образом, пьезоэлектрические пластины могут служить излучателями УЗК и посылать их в контролируемую деталь, а также приемниками УЗК и принимать отраженные колебания, преобразуя их в переменный электрический ток.

Для удобства практического использования пьезоэлектрические пластины или (вибраторы) монтируют в искательных головках пьезоэлектрических преобразователей

(ПЭП).

При ультразвуковом контроле колебания в металл могут вводиться перпендикулярно контролируемой поверхности или под углом к ней. Для этой цели соответственно используют прямые ПЭП или наклонные (призматические).

В металле изделия в общем случае можно возбуждать волны (УЗК) двух типов: продольные и поперечные. ПЭП любого типа излучает продольную волну. Трансформация продольной волны в поперечную происходит в металле изделия, если продольная волна вводится в него под некоторым углом.

Если ультразвуковая волна вводится в изделие под углом, то при этом в общем случае еще четыре волны (рисунок 1.18) две отраженные (продольная Сl1 и поперечная Сt1) и две преломленные (продольная Сl2 и поперечная Сt2).

Рисунок 1.18 – Отражение и преломление волн на границе твердых сред

При увеличении угла падения продольной волны, начиная с некоторого его значения βкр, называемого первым критическим углом, преломленная продольная волна не будет проникать во вторую среду, т.е. αl = 90о.

При дальнейшем увеличении угла падения до значения βкр2 – второго критического угла – поперечная преломленная волна также не будет проникать во вторую среду. При углах падения ультразвуковой волны в диапазоне от βкр1 до βкр2, во второй среде будет возникать только поперечная волна. Этим пользуются при контроле

56

качества изделий, так как распространение в металле волн одного типа значительно облегчает процесс контроля. Поэтому наклонные ПЭП изготавливаются с углом

падения от βкр1 до βкр2.

Для прозвучивания материала продольной волной используют прямые ПЭП, излучающие продольную волну перпендикулярно к поверхности. Если акустические сопротивления материала ПЭП и изделия одинаковы, то ультразвуковая волна полностью без отражения переходит в деталь (рисунок 1.19).

Рисунок 1.19 – Прохождение волн при контроле прямы пьезопреобразователем

В ультразвуковой дефектоскопии для прозвучивания изделий широкое распространение получили два способа: импульсный эхо-способ и теневой.

При эхо-способе в исследуемую деталь вводятся импульсы УЗК, излучаемые вибратором. Длительность импульсов 1–3 мкс, с промежутком между ними до 0,1 с. За этот промежуток времени импульсы УЗК, при отсутствии в детали дефектов, доходят до дна, отражаются и воспринимаются тем же вибратором, преобразующим их в электрические колебания, и фиксируются на экране электронно-лучевой трубки в виде донного импульса (рисунок 1.20).

При наличии дефекта УЗК отражаются от него раньше, чем от дна, и соответственно на электронно-лучевой трубке фиксируется в виде импульса, расположенного между донным и начальным (зондирующим) импульсами. Достоинствами этого способа прозвучивания являются возможность контроля детали при доступе только с одной стороны, измерение координат дефекта и использование одного пьезоэлектрического преобразователя – и излучателя, и приемника.

1 – зондирующий импульс; 2 – донный импульс; 3 – импульс от дефекта

Рисунок 1.20 – Схема эхо – способа прозвучивания

57

Из существа ультразвукового контроля следует, что на электронно-лучевой трубке возникает временная диаграмма, соответствующая распространению УЗК в детали. Горизонтальная линия на экране является осью времени, ее начало совпадает с моментом посылки импульсов УЗК в деталь.

Длина горизонтальной линии на экране между начальным и донным сигналами представляет масштабное изображение толщины контролируемой детали.

Зная скорость распространения УЗК, а также время между моментом излучения и приема, отраженного от дефекта или дна импульса, определяют глубину залегания дефекта или толщину детали.

В современных дефектоскопах координаты дефекта определяются с помощью электронного глубиномера.

Недостатком эхо-способа прозвучивания является наличие «мертвой зоны» по толщине детали, т.е. такой зоны, в пределах которой невозможно обнаружить дефекты в контролируемом поверхностном слое изделия.

Наличие «мертвой зоны» объясняется тем, что колебания, отраженные от дефектов в тонком поверхностном слое, приходят к преобразователю раньше, чем он начинает работать в режиме приемника.

При теневом способе прозвучивания изделий используются два ПЭП, расположенные по одной оси с противоположных сторон детали (рисунок 1.21). Причем один ПЭП служит излучателем и передает УЗК в материал изделия, а другой – приемником. На экране электронно-лучевой трубки при этом способе прозвучивания возникают два импульса: зондирующий – и второй – прошедший через деталь к приемнику. О наличии дефекта при теневом способе судят по уменьшенной амплитуде или исчезновению второго импульса. Если есть дефект, перекрывающий полностью пучок ультразвуковых колебаний от излучателя, то приемный ПЭП находится в области ультразвуковой тени.

1 – зондирующий импульс; 2 – принятый импульс

Рисунок 1.21 – Схема теневого способа прозвучивания

Недостатками этого способа прозвучивания являются необходимость использования двух ПЭП жестко и соосно друг с другом связанных, доступа к детали с двух противоположных сторон и невозможность измерения глубины залегания дефекта.

58

Кдостоинствам способа следует отнести отсутствие при контроле «мертвой

зоны».

Из рассмотренных способов прозвучивания изделий чаще всего используют эхоимпульсный.

На предприятиях речного транспорта ультразвуковым методом контролируют качество следующих деталей: подшипников (качество заливки), поковок валов и баллеров рулей, лопастей гребных винтов, участков ответственных отливок, а также сварных швов корпусов судов.

Капиллярные методы контроля предназначены для выявления поверхностных дефектов в деталях из немагнитных материалов. Могут быть проконтролированы также детали из магнитных материалов, если по каким-либо причинам их невозможно или нецелесообразно проверять магнитными методами.

Капиллярными методами выявляются дефекты, характеризуемые, в основном, большим отношением глубины к ширине (раскрытию) при ограниченной ширине (0,1– 0,15 мм).

Ктаким дефектам могут быть отнесены трещины, расслоения, поры в деталях из цветных и черных металлов.

Физическими закономерностями, положенными в основу капиллярных методов контроля, являются: смачивание жидкостью поверхности металла, ее поверхностное натяжение и увеличение объема жидкости при нагревании.

Сущность контроля капиллярными методами сводится к следующему.

На поверхность контролируемой детали наносят проникающую жидкость, которая заполняет поверхностные дефекты. Через определенное время, необходимое для проникновения части жидкости в наиболее мелкие дефекты, избыток жидкости с поверхности удаляют. Оставшуюся в дефектах жидкость выявляют с помощью проявляющих составов, которые впитывают в себя жидкость, образуя индикаторные следы дефектов. Ширина этих следов значительно превышает раскрытия, связанных с ними дефектов. Эго дает возможность обнаруживать индикаторные следы невооруженным глазом и определять места залегания дефектов.

Процесс проникновения жидкости в полость дефекта схематично можно представить следующим образом. Хорошо смачивающая металл жидкость перемещается вдоль стенок дефекта и образует сильно вогнутый мениск.

Поверхностное натяжение жидкости обеспечивает подтягивание основной массы жидкости и способствует быстрейшему заполнению полости дефекта (рисунок 1.22).

Рисунок 1.22 – Проникновение жидкости в капилляр

59

Чувствительность капиллярных методов контроля ограничивается верхним и нижним предельными размерами дефектов. Верхний предел чувствительности определяют максимальной величиной раскрытия дефекта ограничивающей его выявляемость вследствие потери дефектом свойств капилляра или из-за интенсивного вымывания проникающей жидкости из дефекта. Нижний предел чувствительности определяют минимальной величиной раскрытия дефекта, ограничивающей его выявляемость вследствие потери светового или цветового контраста проникающей жидкости.

Смачивающая жидкость легко проникает лишь в том случае, если полость дефекта свободна от загрязнений. Поэтому при недостаточно тщательной очистке деталей во время ремонта (а это не всегда возможно) от масла, продуктов коррозии и т.д., капиллярные методы могут оказаться неэффективными для обнаружения эксплуатационных дефектов.

Из всего многообразия капиллярных методов контроля наиболее широко применяются два – люминесцентный и цветной, различающиеся между собой по типу проникающих жидкостей.

При люминесцентном методе контроля используют люминесцирующие в ультрафиолетовом освещении проникающие жидкости. В цветном методе применяют цветные проникающие составы, хорошо контрастирующие с цветом проявителя при дневном или искусственном освещении.

Основой проникающих составов является маловязкая жидкость – как правило, керосин.

Впроникающий состав для люминесцентного контроля добавляют люминофор – вещество, способное светиться под действием ультрафиолетовых лучей. В основе люминесценции лежит поглощение кванта световой энергии атомом люминофора. При этом энергетический запас атома возрастает, но приобретенный избыток энергии не сохраняется длительное время. Отдача энергии происходит в виде светового же излучения, но с большей длиной волны. Это явление и носит название люминесценции.

Вкачестве проникающих жидкостей при цветном контроле используют составы, окрашенные в красный цвет, за счет добавки специальных красителей. Основным компонентом проявляющих составов является вещество, обладающее свойством адсорбции – способностью впитывать в себя проникающую в полость дефектов жидкость.

Вкачестве таких веществ используют селикогель, тальк, асканит.

Влюминесцентной дефектоскопии проявитель наносят на поверхность детали чаще всего в виде порошка.

При использовании цветного метода применяют, как правило, мокрый способ нанесения проявителя – взвесь указанных порошков в этиловом спирте.

Технология контроля деталей капиллярными методами состоит из следующих операций.

1. Подготовка деталей к контролю. Целью этой операции является очистка полости дефектов от загрязнений, смазки и удаление с поверхности детали нагара, окисных и масляных пленок.

60