Пустов Ю.А., Ракоч А.Г.- Диагностика и экспертиза коррозионных разрушений металлов - Курс Лекций

горнорудной промышленности, системы водо- и газоснабжения, подъемные сооружения,

объекты и оборудование взрывопожароопасных и химически опасных производств,

объекты железнодорожного транспорта.

Акустические методы основаны на регистрации параметров упругих волн,

возбуждаемых или возникающих в металлическом объекте. Чаще всего используют упругие волны ультразвукового диапазона (с частотой колебаний выше 20 кГц).

Параметры этих волн тесно связаны с такими свойствами материалов, как упругость,

плотность, анизотропия (неравномерность свойств по различным направлениям) и др.

Акустические свойства твердых материалов и воздуха настолько сильно отличаются, что акустические волны отражаются от тончайших макродефектов структуры металла (трещин, щелей, коррозионных каверн, язв) шириной 10-6...10-4 мм. С помощью акустических методов измеряют толщины стенок изделий, неоднородности структуры,

определяют геометрические характеристики изделий.

Колебания в исследуемый объект вводятся в импульсном или непрерывном режимах с помощью пьезоэлектрического преобразователя сухим контактным,

контактным через жидкую среду или бесконтактным способом через воздушный зазор с помощью электромагнитно-акустического преобразователя.

При акустическом контроле обычно используют колебания с частотой 0,5...25 МГц,

т. е. ультразвуковые. Поэтому большинство акустических методов являются ультразвуковыми.

Для возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрический эффект, заключающийся в изменении геометрических размеров некоторых материалов (кварц, титанат бария, титанат-цирконат свинца и др.) с частотой изменения величины действующего переменного электрического поля.

Пьезоэлектрическую пластину помещают в специальном устройстве-

пьезопреобразователе (искателе). Материалы, используемые в пьезопреобразователях

(плексиглас, капролон, фторопласт, полистирол), способствуют гашению отраженной волны, так как имеют большие коэффициенты затухания ультразвуковых колебаний и малую скорость их распространения. При падении ультразвуковой волны на поверхность раздела двух сред, в частности на границу дефекта, часть энергии отражается, что и используется при контроле.

Несмотря на видимые преимущества, в частности, возможность обнаружения локальных дефектов микроскопических размеров и быстрой расшифровки результата,

акустические методы имеют и ряд недостатков, которые приводят к возрастанию погрешностей измерения. К ним относятся:

12

необходимость акустического контакта преобразователя с объектом контроля,

повышенные требования к чистоте поверхности изделия, влияние сторонних шумов на результаты измерений, воздействие температуры изделия и др.

Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия (УФ) − поиск дефектов в металлическом материале путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, отраженных от внутренних несплошностей (дефектов), и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик с помощью специального оборудования − ультразвукового дефектоскопа. УФ является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля. Ультразвуковые исследования − абсолютно безопасный метод неразрушающего контроля, применяющийся во многих технологиях, отраслях производства и техническом обслуживании, особенно в исследовании сварных швов и конструкционных металлов. Ультразвуковая дефектоскопия основана на свойстве ультразвуковых волн распространяться в однородном твердом теле на большие расстояния в виде направленного пучка и отражаться от границ между двумя различными веществами, имеющими разные акустические свойства. Ультразвуковые колебания,

распространяясь в металлических деталях, отражаются от несплошностей (трещин,

раковин, коррозионных каверн и т. п.). Нарушения сплошности или однородности среды влияют на распространение упругих волн в изделии или на режим колебаний изделия.

Основные разновидности УФ: теневой метод, зеркально-теневой и эхо-метод.

Теневой метод. Признаком обнаружения дефекта является уменьшение интенсивности (амплитуды) ультразвуковой волны, прошедшей от излучающего пьезопреобразователя к приемному. Недостатки метода − необходимость двустороннего доступа к изделию и малая точность оценки координат дефектов, достоинства − высокая помехоустойчивость и возможность применения для металлических изделий с грубо обработанной поверхностью.

Зеркально-теневой метод. Признак обнаружения дефекта − уменьшение интенсивности (амплитуды) ультразвуковой волны, отраженной от противоположной поверхности изделия. Отраженный сигнал называется донным. Метод не требует двустороннего доступа к контролируемому изделию, позволяет более достоверно выявлять корневые дефекты в стыковых швах, помехоустойчив, применяется для изделий небольшой толщины с грубо обработанной поверхностью. Недостаток – невысокая точность определения координат дефекта.

13

Эхо-метод (метод отражения). Преобразователь 1 возбуждает в объекте контроля

2 ультразвуковой импульс (рис.2.1). Он отражается от нижней поверхности объекта или дефекта 3 и принимается тем же (или другим) преобразователем. Генератор электрических импульсов 6 синхронизирован с генератором развертки 7 электронно-

лучевой трубки 5. Отраженные сигналы усиливаются в 4 и вызывают появление на линии развертки пиков. На рисунке 2.1а показаны посылаемый в изделие сигнал 8, эхосигнал от дефекта 9 и донный сигнал 10. Информативными параметрами в этом случае являются амплитуда и время прихода импульсов.

Рис.2.1. Схема импульсного ультразвукового дефектоскопа:

а – контроль поковки прямым преобразователем; б – контроль сварного шва наклонным преобразователем

Контроль состояния металлоизделия осуществляется путем сканирования дефектоскопом поверхности объекта. Результатом сканирования являются эхосигналы,

наблюдаемые на экране осциллоскопа. Метод позволяет обнаруживать поверхностные и глубинные дефекты различной природы, морфологии и ориентации (неметаллические включения, трещины, в т.ч. коррозионные, каверны и т.п.). Это-метод обладает высокой чувствительностью: в оптимальных условиях контроля на частоте 2-4 МГц можно обнаруживать дефекты, отражающая поверхность которых имеет площадь около 1 мм2.

Ультразвуковая толщинометрия

В основе метода ультразвуковой толщинометрии лежит электромагнитно-

акустический способ направления и приёма ультразвуковых колебаний, что позволяет с высоким уровнем точности определить толщину измеряемого объекта, не нанося ему при этом каких-либо повреждений. Своевременно проведённый мониторинг позволяет заранее устранить наиболее опасные участки металлоконструкции (например, трубопровода) и

избежать тем самым аварийных ситуаций. При эксплуатации и ремонте оборудования часто возникает необходимость определить толщину стенки оборудования, измерить размеры отдельных деталей, определить толщину биметаллических наплавок, измерить

14

остаточную толщину стенки изделия, подверженного механическому или коррозионно-

механическому износу вследствие особенностей технологического процесса и эксплуатации. К таким деталям обычно относятся трубы и фитинги, стенки сосудов и оболочки аппаратов, штампованные днища, изделия сложной конфигурации и пр. Однако конструктивные особенности этих деталей не всегда позволяют измерить их обычными способами. Достаточно часто доступ к внутренней стороне изделия бывает затруднен или невозможен. Кроме того, порой возникает необходимость в определении размеров деталей без их демонтажа из узлов оборудования (шпильки, фланцы, оболочки аппаратов и др.). В

этих случаях весьма эффективным методом контроля толщины является ультразвуковая толщинометрия.

Основными преимуществами ультразвуковой толщинометрии являются большая производительность и высокая точность измерений в широком диапазоне толщин,

возможность контроля изделий из различных металлических и неметаллических материалов. Основой методики является пьезоэлектро-акустический способ, при котором пьезоэлектро-преобразователь посылает в изделие и последующем принимает отраженные от донной поверхности ультразвуковые колебания, считывает время на прохождение данного расстояния и обрабатывает полученные данные. Это позволяет достаточно точно определять толщину измеряемого объекта, не нанося ему при этом никакого вреда.

При измерении толщины стенок на реальном изделии необходимо иметь в виду,

что точность измерений зависит от следующих факторов: поверхности стенок изделия могут быть не параллельны; шероховатость внешней и внутренней поверхностей может быть различной; плотность распределения и глубина локальных коррозионных поражений

(язв, каверн), являются случайными; металл изделия может иметь структурные неоднородности, несплошности и другие металлургические дефекты.

Точность измерений также зависит от качества акустического контакта,

определяемого равномерностью усилия прижатия датчика.

Акустическая эмиссия

Акустическая эмиссия (АЭ) − явление возникновения и распространения упругих колебаний (акустических волн) во время деформации напряжённого материала.

Количественно АЭ − критерий целостности материала, который определяется звуковым излучением материала при контрольном его нагружении. Эффект АЭ может использоваться для определения образования дефектов на начальной стадии разрушения конструкции.

15

В отличие от традиционных методов неразрушающего контроля (ультразвуковой,

радиационный, вихретоковый), с помощью которых можно обнаружить геометрические неоднородности (дефекты) путем излучения в структуру объекта некоторой формы энергии, в методе АЭ обнаруживаются не геометрические неоднородности, а

микроскопические движения. Это позволяет очень быстро обнаруживать рост даже самых небольших трещин, разломов включений, утечек газов или жидкостей, то есть, большого количества самых разнообразных процессов, производящих акустическую эмиссию.

С точки зрения теории и практики метода акустической эмиссии, абсолютно любой дефект может производить свой собственный сигнал. При этом он может проходить довольно большие расстояния (до десятков метров), пока не достигнет датчиков. Более того, дефект может быть обнаружен не только дистанционно, но и путем вычисления разницы времен прихода волн к датчикам, расположенных в разных местах.

Акустико-эмиссионный отклик зависит от структуры материала и режима деформирования. Разные материалы при различных способах нагружения в сильной степени отличаются друг от друга по своему акустико-эмиссионному поведению.

Существует два основных фактора, приводящих к высокой эмиссивности, – это хрупкость и гетерогенность материала. Вязкие механизмы разрушения, например, слияние пор в мягких сталях, напротив, приводят к низкой эмиссивности (по энергии и числу сигналов).

Простейший тип волны от акустико-эмиссионного источника представлен на рисунке 2.2. По-существу это импульс напряжения, соответствующий смещению поверхности материала.

Рис.2.2. Простейшая волна Акустической эмиссии, возникающая в источнике

16

Волновое смещение представляет собой функцию, близкую к ступенчатой.

Напряжение, соответствующее смещению, имеет форму импульса, ширина и высота которого зависят от динамики процесса излучения. Импульсы таких источников как проскок микротрещины или разрушение осажденных фракций имеют малую длительность

(порядка микросекунд или долей микросекунд). Амплитуда и энергия первоначального импульса акустической эмиссии может меняться в широком диапазоне в зависимости от типа источника акустической эмиссии. Зародившаяся волна (импульс) распространяется от источника во всех направлениях, при этом распространение в соответствии с природой источника может носить ярко выраженный анизотропный характер (т.е. зависимость скорости распространения от направления).

Форма первоначальной волны претерпевает существенные изменения при распространении в среде материала и при преобразовании датчиком, поэтому сигнал,

пришедший с датчика, весьма отдаленно напоминает исходный сигнал от источника. На приведенном ниже рисунке 2.3 приведён типичный сигнал эмиссии.

Рис.2.3.Типичный импульсный сигнал Акустической эмиссии

В конечном счете, сигналы акустической эмиссии можно разделить на два основных типа:

• непрерывная эмиссия − колебания с относительно малыми амплитудами и широким частотным спектром, верхняя граница которого достигает 30 МГц,

характеризуют перемещения больших групп дислокаций и указывают на формирование зон с накапливающимися микродефектами.

17

• эмиссия дискретного типа — последовательность коротких импульсов сложной формы с крутым фронтом и гораздо большими амплитудами. Основная часть энергии приходится на низкочастотную часть спектра. Этот тип эмиссии связан с развитием микродефектов в микро- и макротрещины, их слиянием и появлением магистральной трещины.

Преимущества метода акустической эмиссии перед традиционными методами НК:

1)Интегральность метода АЭ, которая заключается в том, что, используя один или несколько датчиков, установленных неподвижно на поверхности объекта, можно проконтролировать весь объект целиком (100% контроль). Это свойство метода акустической эмиссии особенно полезно при исследовании труднодоступных (не доступных) поверхностей контролируемого объекта.

2)В отличие от сканирующих методов НК, метод акустической эмиссии не требует тщательной подготовки поверхности объекта контроля. Следовательно, выполнение контроля и его результаты не зависят от состояния поверхности и качества ее обработки.

Изоляционное покрытие (если оно имеется) снимается только в местах установки датчиков.

3) Обнаружение и регистрация только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам (или по другим косвенным признакам – форме, положению, ориентации дефектов), а по степени их опасности (влияние на прочность) для контролируемого объекта.

4) Высокая производительность метода АЭ, во много раз превосходящая производительность традиционных методов НК, таких как ультразвуковой,

радиографический, вихретоковый, магнитный и др.

5)Дистанционность метода АЭ – возможность проведения контроля при значительном удалении оператора от исследуемого объекта. Данная особенность метода позволяет эффективно использовать его для контроля (мониторинга) ответственных крупногабаритных конструкций, протяженных или особо опасных объектов без вывода их из эксплуатации и вреда для персонала.

6)Возможность отслеживания различных технологических процессов и оценка технического состояния объекта в режиме реального времени, что позволяет предотвратить аварийное разрушение контролируемого объекта. 7) Максимальное соотношение эффективность стоимость.

18

2.2.3. Магнитный метод

Магнитный вид неразрушающего контроля применяют в основном для контроля изделий из ферромагнитных материалов, т. е. из материалов, которые способны существенно изменять свои магнитные характеристики под воздействием внешнего

(намагничивающего) магнитного поля. Операция намагничивания (помещения изделия в магнитное поле) при этом виде контроля является обязательной. Съем информации может быть осуществлен с полного сечения образца (изделия) либо с его поверхности. В

зависимости от конкретных задач неразрушающего контроля, марки контролируемого материала, требуемой производительности метода могут использоваться те или иные первичные информативные параметры. К числу наиболее распространенных относятся следующие информативные параметры: коэрцитивная сила, намагниченность, индукция

(остаточная индукция), магнитная проницаемость, напряженность, эффект Баркгаузена

(скачкообразное изменение намагниченности ферромагнетиков при непрерывном изменении внешних условий, например магнитного поля).

2.2.4 Капиллярный метод

Метод основан на капиллярном проникновении индикаторной жидкости

(пенетранта) в поверхностные дефекты (трещины, поры и пр.) с последующей регистрацией индикаторных следов визуальным способом или с помощью преобразователя. Метод капиллярного контроля позволяет обнаруживать поверхностные дефекты независимо от вида, материала и конфигурации поверхности. Другие методы неразрушающего контроля, при учете вышеназванных условий, применимы лишь условно. Капиллярный метод неразрушающего контроля позволяют диагностировать сооружения любых размеров и форм, изготовленные из черных и цветных металлов и сплавов, пластмасс, стекла, керамики, а также других твердых неферромагнитных материалов.

Капиллярный контроль применяют также для конструкций, изготовленных из ферромагнитных материалов, если их магнитные свойства, форма, вид и местоположение дефектов не позволяют достичь требуемой чувствительности магнитопорошковым методом или магнитопорошковый метод контроля не допускается применять по условиям эксплуатации объекта. Капиллярный контроль применяется также при течеискании и, в

сочетании c другими методами, при мониторинге ответственных объектов и объектов в процессе эксплуатации. Достоинствами капиллярных методов дефектоскопии являются:

простота операций контроля, несложность оборудования, применимость к широкому спектру материалов, в том числе к немагнитным металлам.

19

2.2.5 Вихретоковый метод

Вихретоковый метод контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля этим полем. Данный метод используется в основном для контроля качества электропроводящих объектов:

металлов, сплавов, графита, полупроводников и т. д. Приборы и установки, реализующие вихретоковый метод, широко используются для обнаружения несплошностей материалов

(дефектоскопия и дефектометрия), контроля размеров ОК и параметров вибраций

(толщинометрия и виброметрия), определения физико-механических параметров и структурного состояния (структуроскопия), обнаружения электропроводящих объектов

(металлоискатели) и для других целей. Объектами вихретокового контроля могут быть электропроводящие прутки, проволока, трубы, листы, пластины, покрытия, в том числе многослойные, железнодорожные рельсы, корпуса атомных реакторов, шарики и ролики подшипников, крепежные детали и многие другие промышленные изделия.

2.3 Коррозионное прогнозирование

Прогнозирование является одним из основных элементов коррозионной диагностики, как составной части технической диагностики. Основная цель прогнозирования коррозионного состояния − установление (предсказание) сроков безотказной работы элементов металлоконструкции (машины, агрегата, трубопровода и т.п.) до очередного технического обслуживания или ремонта и предотвращение отказов с учетом динамики развития коррозионного процесса.

Ввиду большого разнообразия условий эксплуатации металлопродукции (сезонные изменения температуры, влажности, агрессивности атмосферы, состава коррозионной среды и т.п.), режимов работы объекта, технического состояния отдельных элементов конструкции процесс изменения значений контролируемых параметров может носить случайный характер. Кроме того, вследствие резкого изменения условий эксплуатации,

возникновения непредсказуемых внешних нагрузок, а также в связи с частичной заменой комплектующих при устранении обнаруженных ранее коррозионных отказов, ремонте отдельных узлов значения параметров часто меняются не плавно, а скачкообразно.

Отсюда следует, что скорость изменения значений параметров коррозионного состояния однотипных элементов конструкции или агрегата может быть различна при одной и той же наработке.

20