Способы неразрушающего контроля металла

В основе неразрушающего контроля металла лежат физические процессы взаимодействия различных полей, излучений или веществ с объектами контроля.
По этому признаку выделяют девять основных видов:

Каждый из этих видов осуществляется многими методами контроля, которые классифицируют по характеру взаимодействия физических полей с контролируемым объектом, по первичному информативному параметру и по способу получения информации (в совокупности более ста наименований по ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов»).

Методы и средства неразрушающего контроля распределяются по следующим направлениям:

дефектоскопия трубопроводов, металла и металлоконструкций (обнаружение дефектов типа нарушений сплошности – трещин, раковин, расслоений и т.д.);
контроль геометрических характеристик (наружных и внутренних диаметров; толщин стенок, покрытий и слоев; степени износа; ширины и длины изделий и т.д.);
определение физико–механических и физико–химических характеристик(электрических, магнитных и структурных параметров, отклонений от заданного химического состава, твердости, пластичности, качества упрочненных слоев, содержания и распределения ферритной фазы и т.п.);
техническое диагностирование (определение технического состояния объекта в период эксплуатации).

Выбор метода и прибора Неразрушающего контроля при решении задач дефектоскопии, толщинометрии, структуроскопии и технического диагностирования зависит от параметров контролируемого объекта и условий его обследования.

Дефекты типа нарушений сплошности являются следствием несовершенства структуры материалов и возникают на разных стадиях технологического процесса и в процессе эксплуатации.

В авиационно-космическом машиностроении используют практически все существующие методы неразрушающего контроля металлоконструкций, распространенные более других – приведены ниже.

Визуальный и измерительный метод

Визуальный и измерительный метод, в том числе с использованием жестких и гибких видеоэндоскопов, позволяют выявить поверхностные дефекты, как на наружных поверхностях, так и во внутренних полостях изделий и измерить их параметры.

Радиационный метод

Радиационные методыс использованием излучения рентгеновских аппаратов и радиоактивных источников применяют для обнаружения внутренних несплошностей в деталях, узлах, изделиях, в сварных и паяных соединениях путем их просвечивания на рентгеновскую пленку или на другие преобразователи излучения; для измерения толщины деталей и покрытий на них, а также для контроля механических напряжений (рентгеновская дифрактометрия).

Акустическая дефектоскопия (акустическй, ультразвуковой) метод

С помощью Акустической дефектоскопии контролируют качество листовых материалов и других заготовок, сварных, паяных и клееных соединений, некоторые физико-механические свойства, используя законы распространения в веществе упругих колебаний (эхо-импульсный, импедансно-акустический, метод эмиссии волн напряжения – акустической эмиссии и др.).

Магнитопорошковый или магнитолюминесцентный метод

Поверхностные дефекты типа волосовин, трещин, непроваров в изделиях из ферромагнитных металлов выявляют в основном магнитопорошковым илимагнитолюминесцентным способами, используя специальные порошки, суспензии и пасты, которые наносят на предварительно намагниченные объекты, и затем рассматривая картину их распределения на поверхности.

Вихретоковый метод

Вихретоковые методы используют для определения свойств металла, однозначно связанных с электропроводностью и магнитной проницаемостью, для выявления дефектов, для измерения диаметра прутков, толщинометрии труб и листов, для измерения толщины и определения качества покрытий. Вихревые токи в металле можно возбуждать синусоидальным и несинусоидальным электромагнитным полем, импульсным полем, а также полем переменной частоты. В этих случаях измеряют частотный спектр, крутизну фронтов, длительность импульсов и другие параметры электрических сигналов.

Капиллярные (люминесцентный, цветной и др.) методы

Для обнаружения трещин, раковин, окисных пленок, непроваров, непропаев и других дефектов, имеющих выход на поверхность, применяют также капиллярные методы (люминесцентный, цветной и др.). При его использовании на поверхность контролируемого объекта наносят так называемые индикаторные пенетранты, способные проникать в капиллярные отверстия и имеющие характерный цветовой тон или (и) люминесцирующие под действием ультрафиолетового излучения. После некоторой выдержки остатки жидкости смывают с неповрежденной поверхности изделия, поверхностные же дефекты при этом остаются заполненными ею.

Тепловой метод

Тепловые методы, использующие тепловые свойства контролируемого изделия, основаны на регистрации инфракрасного излучения, исходящего с поверхности нагретого тела, или его теплового поля приемниками различного типа. Основная область применения – контроль паяных и клееных соединений, дефектоскопия изделий из композиционных и других неметаллических материалов, выявление воды в конструкциях.

Методы течеискания (контроль герметичности)

Работоспособность и надежность изделий и отдельных узлов помимо их прочности обеспечиваются герметичностью оболочек и перегородок. Нарушение герметичности могут вызвать так называемые течи – каналы или пористые участки. Для выявления и при необходимости измерения величины течей применяют методы течеискания (контроль герметичности). Все они герметичности основаны на проникновении через эти несплошности тех или иных веществ, в т.ч. газов. Среди них выделяют следующие: гидравлический, керосиновый, люминесцентный, газоаналитический, пузырьковый, химический, манометрический, галогеннный, масс-спектрометрический, радиоактивный и другие.

Ультразвуковая голография и голографическая интерферометрия

К методам Неразрушающего контроля металла, не требующим сканирования контролируемых объектов, относятся ультразвуковая голография и голографическая интерферометрия. Возможность реализации голографии в ультразвуке базируется на свойстве когерентности ультразвуковых колебаний, получаемых с помощью обычных ультразвуковых излучателей. Поскольку эти колебания легко проникают в оптически непрозрачные среды, имеется возможность получать изображения внутренней структуры объектов, в том числе изображения дефектов. Метод голографической интерферометрии основан на том, что восстановленное с голограммы изображение полностью совпадает с реальным объектом. Однако при наличии любых изменений реального объекта (например, деформации, смещения, изменения коэффициента преломления или отражения) на изображении появятся интерференционные полосы, однозначно связанные с изменениями в объекте и дефектами в нем.

Для изделий авиационно-космического машиностроения, отличающихся большим разнообразием применяемых в них материалов с различными физико-механическими свойствами, методов и технологических процессов их изготовления необходимо применение комплекса взаимодополняющих методов и средств неразрушающего контроля металлоконструкций.

Технология CALS предполагает представление в электронной форме всех данных и документов, которые используются для описания изделия или того, как оно производится и эксплуатируется, для информационной поддержки различных процедур, используемых в течение всего жизненного цикла изделия (включая проектирование, испытания, производство, эксплуатацию и утилизацию).

Для того, чтобы получать информацию о качестве контролируемых объектов в электронной форме, требуется прежде всего решить вопросы автоматизации. В автоматизированных средствах НК все процессы выполняются автоматически без участия оператора. В их состав входят средства перемещения контролируемых объектов, устройства стабилизации их положения, системы механического сканирования преобразователем (ультразвуковым, вихретоковым и др.) поверхности изделия, связующие элементы электрических исполнительных устройств, системы сопровождения проконтролированной продукции, дефектоотметчики, блокировочные устройства и т.д.

Как правило, стоимость и объем работ по созданию автоматизированных средств НК значительно превышают затраты на приборную часть. Работа всех входящих в них устройств должна быть согласована с работой основного технологического оборудования. Процесс разработки и проектирования автоматизированных средств НК не должен отдаляться во времени от процесса разработки основного оборудования для производства.

Особую сложность представляют системы сканирования, применяющиеся в авиационно-космическом машиностроении там, где невозможна разборка конструкций и затруднен подход к контролируемым поверхностям сложной конфигурации. В процессе сканирования должен поддерживаться постоянный зазор между преобразователем, источником поля и контролируемым изделием. Движение преобразователя и контролируемого изделия относительно друг друга может быть поступательным, вращательным, сложным возвратно-поступательным и т.п. Системы сканирования требуют высокой точности изготовления. Массовое производство промышленных роботов и манипуляторов позволило создать на этой основе разнообразные технологические комплексы НК. В основу их создания положена совокупность серийно выпускаемых приборов НК, имеющих выход на компьютер; промышленных роботов, выполняющих функции перемещения датчика прибора относительно объекта.

Следующими задачами, проистекающими из требований CALS-технологий, являются автоматизация разработки технологий контроля, расшифровки его результатов и архивирования. В состав средств представления информации входят устройства, предназначенные для преобразования полученных от входных преобразователей электрических сигналов в динамические, либо статические изображения исследуемых излучений или полей. Эти средства количественно характеризуют дефекты типа нарушений сплошности, отклонения размеров, изменения физико-механических свойств, сигнализируют о возможности возникновения аварийной ситуации или достижении выбранных уровней разбраковки изделий. Там, где информация о контролируемом объекте выдается прибором в виде электрических сигналов (ультразвуковая дефектоскопия, вихретоковая дефектоскопия и др.), задачи расшифровки и архивирования результатов в электронной форме решаются. В тоже время такие методы, как радиографический, рентгенотелевизионный, магнитопорошковый, капиллярный и др., результаты которых оператор оценивает визуально по изображениям дефектов, автоматизированы не полностью. Создание автоматизированных систем обработки и анализа изображений на уровне возможностей человеческого зрения на сегодняшний день является актуальной задачей.

В последние годы достигнут существенный прогресс в вычислительной промышленной рентгеновской томографии (получение послойных изображений контролируемых объектов), где эти изображения изначально существуют в электронной форме, и в автоматической расшифровке рентгеновских снимков. В принципе, эта технология применима для всех случаев, когда оператор был вынужден визуально оценивать изображения контролируемых объектов. Технология автоматической расшифровки предусматривает следующее:
— ввод изображения и сопроводительной информации в компьютер;
— предварительный анализ изображения, обеспечение пригодности к дальнейшей компьютерной обработке по специальным программам;
— поиск и выделение контуров дефектов, их идентификация, определение геометрических характеристик с помощью специальных программ;
— автоматическое получение заключений по дефектности контролируемых объектов;
— статистическая обработка получаемых результатов;
— занесение результатов работы в архив.

Каждое новое изделие авиационно-космической техники требует использования как традиционных, так и принципиально новых материалов и конструкций. В связи с этим возникает необходимость не только использовать существующие, но и создавать новые методы и средства НК их качества. Наиболее сложные новые проблемы НК обычно возникают по следующим элементам этих изделий:
— теплозащитные материалы;
— жаропрочные материалы;
— композиционные и другие неметаллические материалы;
— металлоконструкции из новых материалов и их неразъемные соединения;
— агрегаты из неметаллических материалов и их неразъемные соединения.

При создании орбитального корабля (ОК) «Буран» эти проблемы были решены совместно с МНПО «Спектр», ведущей организацией страны в области НК, и другими специализированными организациями. Так например, с помощью оригинальных алгоритмов обработки и реконструкции изображений была существенно повышена чувствительность и разрешающая способность компьютерной рентгеновской томографической системы для выявления несплошностей в металлических и неметаллических конструкциях. В области теплового НК выявлены закономерности распространения тепловой энергии в анизотропных материалах. Эти закономерности были использованы при создании новых средств НК неметаллических материалов. В области акустического НК разработаны эффективные способы формирования акустических полей заданной формы, методы распознавания типов дефектов и оценки их размеров. Изучены и применены многие другие методы НК: электромагнитной эмиссии для прогнозирования остаточного ресурса теплозащитных покрытий; акустической эмиссии для оценки качества монтажа этих покрытий на изделии; тепловые, нейтронные и радиоволновые методы контроля содержания влаги в теплозащите в процессе эксплуатации; твердометрия, виброметрии и другие способы проверки физико-механических характеристик, оценки напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса отдельных элементов и изделия в целом.

Создание ОК «Буран» было обеспечено эффективными методами и средствами НК на всех этапах его жизненного цикла. Работы, проведенные в этой области, нашли применение и получили дальнейшее развитие при разработке многоцелевой авиационно-космической системы МАКС. Их результаты подходят для широкого применения и в других отраслях отечественной промышленности.

Этим требованиям соответствуют представленные на рисунках современные цифровые средства НК, разработанные в АО «НИИ интроскопии МНПО «Спектр» (г. Москва).

При создании ОК «Буран» была предложена и внедрена концепция управления качеством новых технически сложных изделий с помощью методов и средств НК, комплексно охватывающая весь их жизненный цикл и обеспечивающая опережающую разработку средств и технологий НК с целью их своевременного внедрения в условиях производства, испытаний и эксплуатации. Концепция предусматривает в главных чертах следующее:
— обеспечение взаимодействия конструкторов и технологов со специалистами по неразрушающему контролю, начиная с самых ранних этапов создания изделия, с целью обеспечения его контролепригодности и сокращения затрат на испытания, эксплуатацию и утилизацию;
— разработка перечней особо-ответственных деталей и узлов в условиях производства и в условиях эксплуатации, а также технических требований, предъявляемых к НК; определение видов и размеров несплошностей и отклонений физико-механических и физико-химических характеристик, выявление которых с помощью методов и средств НК обеспечит требуемую надежность изделия, — совместно конструкторами и специалистами по НК, специалистами по прочности, ресурсу и испытаниям, технологами;
— опережающая во времени разработка технических заданий (ТЗ), программ работ по созданию новых методов и средств НК, их реализация и разработка нормативно-технической документации по НК;
— создание баз данных по возможностям существующих и вновь разработанных методов, средств и технологий НК, по результатам НК материалов, деталей и узлов в процессе производства, испытаний и эксплуатации для каждого экземпляра изделия;
— использование методов, средств и технологий НК в комплексной системе управления качеством продукции (эти положения отражены в международных стандартах серии ISO 9000, которые определяют принципы технической политики руководства организаций в области обеспечения качества и описывают возможные модели управления качеством).

Неразрушающий контроль ОК «Буран» опирался на продуманную систему государственных и отраслевых стандартов, с учетом которых была разработана соответствующая нормативно-техническая документация (методики, технологические рекомендации, производственные инструкции, технологические карты и т.д.), легко переводимая в электронную форму.

Таким образом, в части НК впервые в отечественном машиностроении была реализована технология управления качеством, в основном решавшая те задачи, которые теперь связывают с CALS. Для дальнейшего развития работ в этой области требуются специалисты высокой квалификации по НК авиационно-космической техники, владеющие знаниями по материаловедению, вопросам прочности, остаточного ресурса и управления качеством.

Неразрушающий контроль на всех этапах жизненного цикла изделий является одним из стержней CALS авиационно-космического машиностроения.

Автор(ы): Клюев В.В., Коннов В.В., Башилов А.С., Носков А.А.

Источник