Неразрушающий контроль

Сегодня на многих предприятиях по хранению и переработке растительного сырья значительная часть оборудования, его составных частей и механизмов, а также корпусов зданий и сооружений устарела. Их замена происходит крайне редко, в то время как предприятия в силу своей специфики являются взрывопожароопасными производственными объектами. После распада СССР - а большая часть сегодняшнего оборудования на предприятиях произведена в советский период - и либерализации экономики вопросы промышленной безопасности на объектах хранения и переработки растительного сырья зачастую рассматриваются руководством в последнюю очередь и финансируются по остаточному принципу.

В силу этих обстоятельств для успешного и экономически выгодного функционирования предприятий по хранению и переработке растительного сырья имеет огромное значение контроль зданий, сооружений, различных производственных деталей, механизмов и циклов. Основной формой такого контроля выступает экспертиза промышленной безопасности технических устройств, промышленной безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов. Экспертиза путем проведения замеров, расчетов устанавливает степень соответствия технологического оборудования, механизмов или их частей, а также зданий и сооружений нормам федеральных законов и требованиям Ростехнадзора, а также срок будущей эксплуатации оборудования и зданий.

Одним из ключевых направлений в этой области является неразрушающий контроль (НК). Неразрушающим является технический контроль, после которого продукция, в отличие от разрушающего, может быть использована по назначению. Неразрушающие методы дают возможность вести сплошной контроль. Важность перехода от выборочного контроля к сплошному возрастает с увеличением сложности контролируемого оборудования. Основную часть корпуса современного элеватора составляет железобетон, включающий сотни тысяч отдельных металлических сварных элементов. Если при выборочном контроле вероятность пропуска дефектного элемента будет составлять 0,01% (весьма высокая степень надежности), то по законам статистики из 100 000 элементов около 10 разрушится во время работы. Отсюда следует, что введение сплошного неразрушающего контроля металла корпуса элеватора является необходимым условием его успешной эксплуатации.

Требования и достоинства

Специалист по НК должен обладать специальными знаниями, что подтверждается наличием удостоверения, выданного уполномоченной учебной организацией. Также он должен владеть различными типами приборов и инструментов для НК в дифференцированных условиях работы.

К достоинствам методов НК относятся: сравнительно высокая скорость контроля, высокая надежность (достоверность), возможность применения НК в пооперационном контроле сложных объектов, в условиях эксплуатации без разборки сооружений, машин и демонтажа их агрегатов, относительно невысокая стоимость и другое.

Технологическое оборудование, а также части зданий и сооружений предприятий по переработке растительного сырья состоят из частей, различающихся по составу, форме, структуре, физическим свойствам. Дефекты этого оборудования, зданий и сооружений также бывают различных типов, и обнаружить их позволяет обширная система видов и методов НК.

Дефекты вне зависимости от типа вызывают изменение физических характеристик материалов — плотности, электропроводности, магнитной проницаемости, упругих свойств и т. д. Исследование изменений характеристик металлов и обнаружение дефектов, являющихся причиной изменений, является основой методов неразрушающего контроля, которые основаны на использовании проникающих излучений рентгеновских и гамма-лучей, ультразвуковых и звуковых колебаний, магнитных и электромагнитных полей, оптических спектров и т. д. В настоящее время широко применяют различные физические методы и средства неразрушающего контроля металлов и металлоизделий, позволяющие проверять их качество без нарушения пригодности к использованию.

Характеристика методов

Магнитные методы основаны на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами или магнитных свойств контролируемого предмета. Применяют для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов в деталях различной формы, изготовленных из ферромагнитных материалов. К ним относятся магнитно-порошковый, магнитно-графический, магнитно-индукционный и другие методы.

Магнитные поля рассеяния над дефектами регистрируются в магнитно-порошковом методе с помощью ферромагнитного порошка или суспензии, в магнитно-графическом — с помощью ферромагнитной ленты и в феррозондовом — с помощью чувствительных к магнитным полям феррозондов.

Электрические методы основаны на регистрации электростатических полей и электрических параметров контролируемого объекта. Их применяют для выявления раковин и других дефектов в отливках, расслоений в металлических листах, различных дефектов в сварных и паяных швах, трещин в металлических изделиях, и т. д. Наиболее распространенными из этих методов являются измерение электрического сопротивления, трибоэлектрический, термоэлектрический и др.

Вихретоковый метод основан на регистрации изменения взаимодействия собственного электромагнитного поля катушки с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых этой катушкой в контролируемом объекте. Применяется для обнаружения поверхностных дефектов в магнитных и немагнитных деталях. Метод позволяет выявлять нарушения в различных по форме деталях, в том числе имеющих покрытия. На основе метода вихревых токов разработаны приборы для измерения толщины листов и покрытий, диаметра проволоки и прутков.

Радиоволновые методы основаны на регистрации изменения параметров электромагнитных колебаний, взаимодействующих с контролируемым объектом. Их применяют для контроля качества изделий из диэлектрических материалов, вибраций, толщины металлического листа и другое. В качестве источников энергии служат магнетроны, клистроны, лампы обратной волны, преобразователи частоты, твердотельные генераторы, диоды Ганна и т. д.

Эти методы пока не получили широкого применения в промышленности, хотя и являются весьма перспективными. Так, с их помощью можно обнаруживать непроклеи, расслоения (площадью от 10 мм² и более), воздушные включения, трещины (от 10 мкм и более), неоднородности по плотности, напряжения, измерять геометрические размеры и т. п.

Тепловые методы основаны на регистрации тепловых полей, температуры или теплового контраста контролируемого объекта. Их применяют для измерения температур, получения информации о тепловом режиме объекта, определения и анализа температурных полей, дефектов типа расслоения, трещин и т.д., выявления дефектов пайки многослойных соединений из металлов и неметаллов, склейки металл — металл, металл — неметалл и т. п. Контроль осуществляется с помощью термометров, термоиндикаторов, пирометров, инфракрасных микроскопов и радиометров и т. д.

Оптические методы основаны на взаимодействии светового излучения с контролируемым объектом. Они предназначены для обнаружения различных поверхностных дефектов материала деталей, скрытых дефектов агрегатов, контроля закрытых конструкций, труднодоступных мест машин и силовых установок при наличии каналов для доступа оптических приборов к контролируемым объектам. Регистрация поверхностных дефектов осуществляется с помощью оптических устройств, создающих полное изображение проверяемой зоны.

Достоинства этих методов — простота контроля, несложное оборудование и сравнительно небольшая трудоемкость.

Другие методы

Так как контроль с помощью оптических приборов обладает невысокой чувствительностью и достоверностью, то его применяют для поиска достаточно крупных поверхностных трещин, коррозионных и эрозионных повреждений, выбоин, открытых раковин, пор, для обнаружения течей, наличия посторонних включений и т. д.

Радиационные методы основаны на взаимодействии проникающих ионизирующих излучений с контролируемым объектом. Их применяют для контроля качества сварных и паяных швов, литья, качества сборочных работ, состояния закрытых полостей агрегатов и т. д. Проникающие излучения (рентгеновское, потока нейтронов, γ- и β-лучей), проходя через толщу материала детали и взаимодействуя с его атомами, несут различную информацию о внутреннем строении вещества и наличии скрытых дефектов внутри контролируемых объектов.

Наиболее распространенными радиационными методами являются рентгенография, рентгеноскопия и гамма-контроль, которые нашли применение на предприятиях металлургии и машиностроения. В качестве источников проникающих излучений применяют рентгеновские аппараты, бетатроны, линейные ускорители и микротроны, гамма-дефектоскопы и др.

Акустические методы основаны на регистрации параметров упругих колебаний, возбужденных в контролируемом объекте. Под объектом контроля подразумеваются материалы, полуфабрикаты и готовые изделия. Применяются для обнаружения поверхностных и внутренних дефектов (нарушений сплошности, неоднородности структуры, межкристаллитной коррозии, дефектов склейки, пайки, сварки и т. д.) в изделиях, изготовленных из различных материалов. Они позволяют измерять геометрические параметры при одностороннем доступе к изделию, а также физико-механические свойства металлов и металлоизделий без их разрушения.

К акустическим методам относятся методы звукового (импедансный, свободных колебаний и др.) и ультразвукового (эхо-импульсный, резонансный, теневой, эмиссионный и др.) диапазонов.

Теневой метод одним из первых стал применяться для ультразвукового контроля металлоизделий. Излучатель ультразвуковых волн, деталь и приемник образуют «акустический тракт». Решение о состоянии проверяемой детали выносится по уровню принятого сигнала на электродах приемного искателя. Если на пути ультразвуковых волн от излучателя до приемника нет препятствий (несплошностей), отражающих или рассеивающих ультразвуковые волны, то уровень принятого сигнала является максимальным. Этот уровень резко уменьшается или падает почти до нуля, если в детали есть несплошность. Решение выносится при соблюдении требований к условиям акустического контакта обоих искателей с деталью.

Зеркально-теневой метод принципиально не отличается от теневого и удобен лишь тогда, когда к детали имеется односторонний доступ. Перед проведением контроля теневым методом требуется настройка усилителя принятых сигналов. Настройку, или «юстировку», выполняют на бездефектном образце. При этом показание регистрирующего прибора (например, стрелочного указателя) устанавливается на максимальное деление шкалы (100%). Излучение ультразвуковых волн может производиться в непрерывном и импульсном режимах.

Серьезным недостатком теневого метода являются значительные погрешности показаний прибора, регистрирующего уровень принятого сигнала, из-за нестабильности акустического контакта обоих искателей с контролируемой деталью. Кроме того, теневой метод не дает информации о расположении и виде обнаруженной несплошности.

Резонансный метод удобен, когда необходимо измерить толщину стенки детали, имеющей плоскопараллельные поверхности. Искатель непрерывно излучает ультразвуковые волны. Акустический резонанс наступает в том случае, когда на электродах искателя напряжение, возбуждаемое отраженным от дна эхо-сигналом, складывается с переменным напряжением генератора в той же фазе, что приводит к увеличению результирующего напряжения, регистрируемого индикатором. Такое явление наступит, если толщина детали равна или кратна числу полуволн: Н = nл/2, где n = 1, 2, 3... - целые числа.

Изменяя частоту генератора, фиксируют ее значения, при которых появляется резонанс в проверяемом участке детали. По измеренной резонансной частоте определяется толщина изделия. Внутренний дефект может быть обнаружен, когда индикатор покажет резкое уменьшение толщины детали или сильное ослабление и даже исчезновение резонанса. Последнее может произойти, если дефект ориентирован не параллельно поверхности контролируемого изделия.

Импедансный метод состоит в наблюдении за режимом ультразвуковых колебаний датчика, имеющего вид стержня и опирающегося на поверхность контролируемого изделия. При наличии дефекта, близко расположенного к поверхности изделия, участок поверхности становится более податливым. В этом случае уменьшается акустическое полное сопротивление (импеданс) данного участка поверхности. Это приводит к увеличению амплитуды колебаний датчика и дает возможность судить о наличии дефекта.

Метод свободных колебаний основан на анализе характеристик свободных колебаний изделия, вибрирующего после удара по нему. Конечно, контроль на слух субъективен и малонадежен. Он позволяет обнаружить только очень грубые дефекты. В настоящее время имеются приборы, увеличивающие чувствительность метода свободных колебаний.

Метод акустической эмиссии основан на регистрации упругих волн, возникающих в момент образования и роста трещин в детали, находящейся под нагрузкой. Основной отличительной чертой метода является отсутствие внешнего источника звуковых сигналов. Источником акустических волн является сама трещина. Метод очень чувствителен, поскольку электронная усилительная аппаратура способна улавливать сигналы от трещин очень малых размеров, т. е. в начальной стадии их развития.

Измерить эхо

Импульсный эхо-метод в промышленности основан на явлении отражения ультразвуковых волн от поверхности дефекта и регистрации принятых сигналов. Для этой цели в контролируемое изделие излучается последовательность коротких ультразвуковых импульсов. Излучаемые ультразвуковые импульсы называют зондирующими. Отраженные ультразвуковые импульсы несут информацию о наличии какого-то отражателя, его удалении от излучателя и его размерах. Расстояние до отражателя может быть определено с высокой степенью точности. Поскольку заранее известны тип волны и ее скорость в материале контролируемой детали, то путь, пройденный ультразвуковым импульсом от излучателя до отражателя и обратно,

2r = ct

где t- время «задержки» принятого отраженного импульса относительно зондирующего;

r- расстояние от излучателя до отражателя.

Полное время задержки t складывается из нескольких составляющих. Такими составляющими, кроме времени пробега ультразвука в изделии, являются: время пробега ультразвука через протектор (или призму) искателя, через слой контактной жидкости, а также время задержки электрических импульсов в электронном блоке дефектоскопа. Однако практически величинами этих задержек зачастую можно пренебречь в сравнении со временем пробега ультразвукового импульса в контролируемом изделии.

С помощью эхо-метода, кроме установления факта наличия отражателя (дефекта) в контролируемом изделии и определения расстояния до него, оператор дефектоскопа может оценить размеры и характер отражателя. Для этой цели используют информацию об амплитуде и форме отраженного сигнала, а также об их изменениях при перемещении искателя относительно отражателя.

Многие дефекты имеют отражающую поверхность со сложной формой. При этом уровень (амплитуда) отраженных ультразвуковых импульсов зависит от множества факторов. К их числу относятся не только форма и ориентация дефекта в изделии, но также частота и форма излучаемого искателем ультразвукового импульса.

Приведенная характеристика позволяет сделать вывод, что для контроля металлов и металлоизделий имеется достаточный спектр методов и средств неразрушающего контроля.

Выбор метода

Следует отметить, что методы НК не являются универсальными. Каждый из них может быть использован наиболее эффективно для обнаружения определенных дефектов. Так, например, с помощью радиационных методов можно выявлять внутренние дефекты в виде пустот и пор в деталях, изготовленных из различных материалов, однако нельзя обнаружить весьма опасные тонкие усталостные трещины. Для этой цели требуется применить другой, чувствительный к поверхностным трещинам метод, например, магнитный или вихревых токов. Поэтому для контроля деталей ответственного назначения применяют два или несколько различных методов.

В заключение следует отметить, что все разнообразие видов и методов НК необходимо использовать комплексно и регулярно, учитывая специфику производственных циклов каждого предприятия по хранению и переработке растительного сырья. В ситуации в отрасли с сильно изношенным парком оборудования систематический НК различных машин и оборудования поможет избежать вреда здоровью и угрозы жизни персонала, а также принести значительную экономическую выгоду, оправдав тем самым затраты на все мероприятия по неразрушающему контролю.

Текст: Гудкова Елена Николаевна, эксперт в области промышленной безопасности взрывопожароопасных производственных объектов хранения и переработки растительного сырья,
Марченко Николай Михайлович, эксперт в области промышленной безопасности взрывопожароопасных производственных объектов хранения и переработки растительного сырья.