Неразрушающий контроль: методы, гост, приборы

О чем пойдёт речь и какую задачу ставлю

В этой статье я решил ограничиться тем что указано в заголовке: а именно рассказом про роботизированные системы российского производства, применяемые в практике неразрушающего контроля.

Под российской системой я подразумеваю оборудование, которое разработано, собрано и применяется почти всегда в России
Под роботизированной системой я понимаю систему, у которой есть два или более программно управляемых привода, предназначенных для перемещения датчиков относительно объекта контроля или наоборот (по ГОСТ Р ИСО 8373-2014)
Под неразрушающим контролем имеем в виду метод контроля, при котором не нарушается пригодность объекта. Неразрушающий контроль обязателен при производстве и эксплуатации опасных промышленных объектов: трубопроводов, сосудов, транспорта и сооружений. Ограничимся здесь ультразвуковым, вихретоковым и телевизионным видами контроля, не вдаваясь в детали.

Задача, которую я себе ставлю — рассказать всем интересующимся об отечественных разработках в роботизации неразрушающего контроля. О кейсах и фичах, которые уже внедрены или будут решены в будущем.

Почему я могу писать об этом — я 20+ лет участвую в разработке и эксплуатации подобных систем и накопил достатоно знаний о реальных возможностях оборудования. Технические характеристики и описания я взял по большей части из открытых источников. Личный опыт автора отражен курсивом.

Акустический, или ультразвуковой контроль

Способ основан на возбуждении в конструкции колебаний определенной частоты, амплитуды, скважности импульсов и анализе отклика конструкции на эти колебания. Интерпретация результатов с помощью специализированных компьютерных программ позволяет воссоздать двумерные сечения исследуемого объекта, не разрушая его. Различают две основных группы методик акустической дефектоскопии:

Различают две основных группы методик акустической дефектоскопии:

Активные — установка осуществляет излучение колебаний и последующий прием отклика от конструкции.
Пассивные — осуществляется только измерение колебаний и импульсов.

Ультразвуковой неразрушающий контроль

Звуковые колебания с частотой выше 20 килогерц называют ультразвуком. Ультразвук является одним из самых популярных способов акустической дефектоскопии в промышленности и позволяет проверять качество и пространственную конфигурацию практически любых материалов. Популярность ультразвука определяется его преимуществами перед другими методами:

низкая цена оборудования;
компактность установок;
безопасность для персонала;
высокая чувствительность и пространственное разрешение.

Ультразвуковой способ мало применим к конструкциям, имеющим крупнозернистую структуру или сильно шероховатую поверхность.

Безопасность ультразвука для человека позволяет широко использовать его в медицинской диагностике, включая обследование ребенка в утробе матери и раннее определение его пола.

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП «ВНИИОФИ»)
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по ТК 371 «Неразрушающий контроль»
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 октября 2019 г. № 1071 «ст
4 ВЗАМЕН ГОСТ Р 56542—2015

Пробила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. Nt 162-ФЗ «О стандартизации е Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Стзндартииформ. оформление. 2019

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и рас* пространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

Устройства электрического НК

Электроизмерительные приборы регулируются ГОСТ 25315-82, которым предусматривается применение:

Электрических преобразователей, конструктивно зависимых от агрегатного состояния контролируемой среды. При наиболее сложном жидком или газообразном состоянии выбор устройства осуществляется в соответствии с такими критериями, как его пропускная способность и характер взаимодействия среды с электродами.
Измерители состава и структуроскопы применяются для определения состава и структуры проверяемого материала по значениям диэлектрической проницаемости, коэффициенту или тангенсу угла потерь.
Электропотенциальные приборы, основанные на измерении разности потенциалов на проверяемом участке, когда через него пропускается ток, они применяются для измерения поверхностных пустот и трещин глубиной до 120 мм.
Термоэлектрические устройства, используемые в сортировке изделий по маркам стали, экспресс-анализе металлов в процессе плавки или в слитках, измерении толщины гальванического покрытия, изучении механизмов усталости металлов.
Электроискровые, электростатические и трибоэлектрические дефектоскопы, контролирующие сплошности диэлектрических материалов и покрытий трубопроводов.

Известные события в академическом и промышленном неразрушающем контроле

1854 г. Хартфорд, Коннектикут – взрывается котел на заводе Fales and Gray Car, в результате чего 21 человек погибает и 50 тяжело ранены. В течение десятилетия в штате Коннектикут принят закон, требующий ежегодной проверки (в данном случае визуальной) котлов.
1880–1920 – Метод обнаружения трещин «Масло и Белизна» используется в железнодорожной промышленности для поиска трещин в тяжелых стальных деталях. (Деталь замачивают в разбавленном масле, затем окрашивают белым слоем, который при высыхании превращается в порошок. Масло, просачивающееся из трещин, превращает белый порошок в коричневый, позволяя обнаружить трещины.) Это было предшественником современных тестов на проницаемость жидкости.
1895 – Вильгельм Конрад Рентген открывает то, что сейчас известно как рентгеновские лучи. В своей первой статье он обсуждает возможность обнаружения дефектов.
1920 – Доктор Х. Х. Лестер начинает разработку промышленной радиографии металлов.
1924 – Лестер использует радиографию для исследования отливок, которые будут установлены на паровой электростанции Boston Edison Company.
1926 – Доступен первый электромагнитный вихретоковый прибор для измерения толщины материала.
1927-1928 – Система магнитной индукции для обнаружения дефектов железнодорожных путей, разработанная доктором Элмером Сперри и Х.С. Дрейком.
1929 – Первые методы и оборудование с использованием магнитных частиц (А. В. ДеФорест и Ф. Б. Доан).
1930-е годы – Роберт Ф. Мел демонстрирует рентгеновское изображение с использованием гамма-излучения из радия, которое позволяет исследовать более толстые компоненты, чем доступные в то время низкоэнергетические рентгеновские аппараты .
1935–1940 – Разработаны жидкие пенетрантные тесты (Бетц, Доан и ДеФорест).
1935–1940-е – Разработаны вихретоковые инструменты (Х. К. Кнерр, К. Фэрроу, Тео Цушлаг и отец Ф. Ферстер).
1940–1944 – Ультразвуковой метод испытаний, разработанный в США доктором Флойдом Файерстоуном , который подает заявку на патент на изобретение в США 27 мая 1940 г. и получил патент США в виде гранта No. 2 280 226 от 21 апреля 1942 года. Выдержки из первых двух параграфов этого основополагающего патента на метод неразрушающего контроля кратко описывают основы ультразвукового контроля. «Мое изобретение относится к устройству для обнаружения наличия неоднородностей плотности или упругости в материалах. Например, если в отливке есть отверстие или трещина внутри, мое устройство позволяет обнаруживать наличие дефекта и определять его положение, даже если дефект полностью находится внутри отливки и ни одна его часть не выходит на поверхность ». Кроме того, «Общий принцип моего устройства состоит в посылке высокочастотных колебаний в проверяемую деталь и определении временных интервалов прихода прямых и отраженных колебаний на одну или несколько станций на поверхности детали». Медицинская эхокардиография – ответвление этой технологии.
1946 – Первые нейтронные рентгенограммы, сделанные Peters.
1950 – Изобретен молоток Шмидта (также известный как «Швейцарский молоток»). В приборе используется первый в мире запатентованный метод неразрушающего контроля бетона.
1950 – Дж. Кайзер вводит акустическую эмиссию как метод неразрушающего контроля.

(Основной источник для выше: Hellier, 2001) Обратите внимание на количество достижений, сделанных в эпоху Второй мировой войны, когда важность промышленного контроля качества росла

1955 г. – в Брюсселе проходит первая всемирная конференция по неразрушающему контролю, организованная ICNDT. Всемирная конференция по неразрушающему контролю проводится раз в четыре года.
1963 – Фредерик Г. Weighart в и Джеймс Ф. Макналти (инженер радио США) «сек совместного изобретением цифровой радиографии является ответвлением развития пар неразрушающего испытательного оборудования для автоматизации промышленности, Inc., затем, в Эль – Сегундо, штат Калифорния. См. Также Джеймса Ф. Макналти в статье « Ультразвуковые испытания» .
1996 – Рольф Дидерикс основал первый в Интернете журнал открытого доступа по неразрушающему контролю. Сегодня база данных открытого доступа NDT NDT.net
1998 – Европейская федерация неразрушающего контроля (EFNDT) была основана в мае 1998 года в Копенгагене на 7-й Европейской конференции по неразрушающему контролю (ECNDT). 27 национальных европейских обществ неразрушающего контроля присоединились к этой мощной организации.
2008 – Открытие конференции по неразрушающему контролю в аэрокосмической отрасли DGZfP и Fraunhofer IIS организовали первый международный конгресс в Баварии, Германия.
2008 – Официальное учреждение Academia NDT International со штаб-квартирой в Брешии (Италия) www.academia-ndt.org

Плюсы, минусы и порядок проведения ВИК

К несомненным преимуществам визуально-измерительного контроля относятся:

Доступность
Информативность. Если требуется собрать данные о качестве объекта, то на ВИК приходится около 50 процентов от всего объема полученной информации
Отсутствие необходимости в приобретении специального оборудования
Простота проведения повторной проверки и подтверждения результатов

Ключевой недостаток метода – это человеческий фактор. Статистика показывает, что он оказывает влияние на все получаемые результаты. Кроме того, к минусам отнесем возможность проверить только видимую часть объекта и выявить исключительно крупные дефекты. Чтобы обнаружить мелкую трещину, неразличимую глазом, требуется специальное оборудование.

Визуально-измерительный контроль осуществляется в несколько основных этапов:

Внешний осмотр сварного шва, выявление дефектов и коррозийных процессов
Измерение ширины, катета, толщины шва, для чего достаточно использования простых инструментов
Инструментальный контроль, представляющий собой более глубинные исследования

На последнем этапе осуществляется проверка результатов, полученных при внешнем осмотре, выполняются такие операции, как:

Выявление усталости металла, а также определение степени износа шва с применением вихретокового метода
Дефектоскопия, позволяющая обнаружить поверхностные и сквозные дефекты
Проверка посредством ультразвука. Она дает возможность выявить низкое качество соединения в нижних слоях шва, недоступных при внешнем осмотре

Методы неразрушающего контроля качества сварных соединений

Визуальный контроль и измерения

Визуально-оптический контроль – это один из методов неразрушающего контроля оптического вида. Он основан на получении первичной информации об объекте при визуальном наблюдении или с помощью оптических приборов. Это органолептический контроль, т.е. воспринимаемый органами чувств (органами зрения) ГОСТ 23479-79 «Контроль неразрушающий. Методы оптического вида» устанавливает требования к методам контроля оптического вида. Визуальный метод контроля позволяет обнаруживать несплошности, отклонения размера и формы от заданных более 0,1 мм при использовании приборов с увеличением до 10х. Визуальный контроль, как правило, производится невооруженным глазом или с использованием увеличительных луп 2х до 7х. В сомнительных случаях и при техдиагностировании допускается увеличение до 20х.

Визуальный контроль выполняется до проведения других методов контроля. Дефекты, обнаруженные при визуальном контроле, должны быть исправлены до проведения контроля другими методами.

Радиографический контроль

Радиационный вид неразрушающего контроля в соответствии с ГОСТ 18353-79 делится на методы: радиографический, радиоскопический, радиометрический. Радиографический метод контроля основан на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в радиографический снимок. Требования к радиографическому контролю регламентированы ГОСТ 7512-82 «Контроль неразрушающий. Сварные соединения. Радиографический метод».

Схема просвечивания рентгеновскими лучами:
1 – рентгеновская трубка; 2 – кассета; 3 – фотопленка; 4 – экраны.

Метод ультразвуковой дефектоскопии

Данный метод относится к акустическому виду неразрушающего контроля (ГОСТ 3242-79), применяется при толщине металла шва не менее 4 мм. Он основан на использовании ультразвуковых волн, представляющих собой упругие колебания материальной среды с частотой выше 0,5-0,25 МГц (выше той, которую способны воспринимать слуховые органы человека). В этом методе контроля (ГОСТ 14782-86) используется способность ультразвуковых волн отражаться от границы раздела двух сред, обладающих разными акустическими свойствами. Когда при прохождении через сварной шов ультразвуковые волны встречают на своем пути дефекты (трещины, поры, шлаковые включения, расслоения и т. д.), они отражаются от границы раздела металл–дефект и могут быть зафиксированы при помощи специального ультразвукового дефектоскопа.

Магнитные методы контроля

Магнитные методы контроля основаны на принципе использования магнитного рассеяния, возникающего над дефектом при намагничивании контролируемого изделия. Например, если сварной шов не имеет дефектов, то магнитные силовые линии по сечению шва распределяются равномерно. При наличии дефекта в шве вследствие меньшей магнитной проницаемости дефекта магнитный силовой поток будет огибать дефект, создавая магнитные потоки рассеяния.

Прохождение магнитного силового потока по сварочному шву:
а – без дефекта; б – с дефектом

В соответствии с ГОСТ 18353-79 в зависимости от способа регистрации потоков рассеяния различают три магнитных метода контроля: магнитопорошковый, индукционный, магнитографический. Наиболее распространен магнитопорошковый метод или магнитопорошковая дефектоскопия (МПД).

Вихретоковый контроль

Методы вихретокового контроля основаны на регистрации изменения электромагнитного поля вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Вихревые токи – это замкнутые токи, индуктированные в проводящей среде изменяющимся магнитным полем. Если через катушку пропускать ток определенной частоты, то магнитное поле этой катушки меняет свой знак с той же частотой. Интенсивность и распределение вихревых токов в объекте зависят от его геометрических, электромагнитных параметров и от взаимного расположения измерительного вихретокового преобразователя (ВТП) и объекта. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки (одну или несколько). Синусоидальный или импульсный ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки (трансформаторный вихретоковый метод) или ее сопротивление (параметрический вихретоковый метод) получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него.

Особенности метода

Для успешного обнаружения поверхностных и лежащих на глубине от 0,5 мм разрушений, исследуемый объект должен быть намагниченным. Тогда определенная часть силовых линий магнитного потока, не изменяющая своего направления над поверхностью без изъянов, «выходит» за пределы объекта и возвращается назад над поврежденными участками с пониженной магнитной проницаемостью.

Над ними возникают полюса, образующие локальное магнитное поле. Его неоднородность сосредотачивает силовые линии над областью повреждений, где намагниченные частицы индикаторного вещества притягиваются друг к другу и образуют цепочные или линейные структуры по силовым линиям магнитного поля.

Для успешного выявления повреждений обязательным условием является перпендикулярное расположение пораженной плоскости по отношению к течению магнитного потока, а также наличие факторов, влияющих на чувствительность магнитопорошковой дефектоскопии:

Коэрцетивная сила
Определенные шероховатости на исследуемой поверхности
Высокая магнитная проницаемость
Напряженность намагничивающего поля
Качественный дефектоскопический материал
Достаточная степень освещенности

5 Средства контроля

5.1 Средства контроля оптическими методами должны разрабатываться и производиться в соответствии с ГОСТ Р 52931. В технических заданиях на разработку и (или) технических условиях (стандартах) на аппаратуру оптического контроля конкретных видов (методов) могут быть установлены дополнительные или отличные от приведенных в ГОСТ Р 52931 требования.
5.2 Рекомендуемые характеристики аппаратуры для оптического контроля должны быть приведены в эксплуатационной документации и включать в себя следующие параметры:

– список контролируемых параметров (виды выявляемых дефектов) и диапазон их значений или их порог;
– основная и дополнительная погрешности (для средства измерения).

5.3 Аппаратура для оптического контроля должна обеспечивать качество изображения, необходимое для обеспечения оптимальных условий выявления заданных дефектов (яркость, цвет, контраст, размер, время анализа).
5.4 Для настройки и периодической проверки работоспособности и расшифровки показаний аппаратуры могут использоваться контрольные образцы, разрабатываемые и изготавливаемые по технической документации разработчика или по отраслевым техническим документам.
5.5 При приемо-сдаточных, периодических и типовых испытаниях аппаратуры при отсутствии стандартизованных эталонов, контрольных образцов и тест-объектов должны использоваться контрольные образцы, разработанные предприятием—разработчиком аппаратуры и изготовленные предприятием-изготовителем аппаратуры.
5.6 Для проверки аппаратуры непосредственно перед проведением контроля объектов, а также для контроля методом сравнения с объектом рекомендуется использовать вспомогательные тестовые образцы. специально изготовленные потребителем аппаратуры, содержащие определенный вид дефектов.
5.7 Контрольные образцы должны быть аттестованы соответствующими метрологическими службами.
5.8 Аппаратура, содержащая лазерные изделия, должна соответствовать ГОСТ 31581.
5.9 Эксплуатационная документация на средства контроля должна содержать последователь* кость (методику) проведения измерения контролируемых данным средством параметров или ссылку на ГОСТ (ОСТ).
5.10 В эксплуатационной документации (паспорте) должна быть ссылка на документ, по которому РосТест проводит поверку данного средства измерения. Перечень поверяемых параметров (характери* стик) должен соответствовать перечню, заявленному Производителем средства измерения.

Методы контроля проникающими веществами

Капиллярная дефектоскопия

Капиллярные методы НК предназначены для обнаружения открытых дефектов, выходящих на поверхность: трещин, пор, раковин, непроваров и других несплошностей поверхности изделий без их разрушения. Различают два основные метода капиллярной дефектоскопии: цветной и люминесцентный. Этими методами контролируют детали различной формы из аустенитных, титановых, алюминиевых, медных и других немагнитных материалов. Эти методы позволяют выявлять:

— трещины сварочные, термические, усталостные;
— пористость, непровары и другие дефекты типа открытых несплошностей различной локализации и протяженности, невидимые невооруженным глазом и лежащие в пределах чувствительности и надежности дефектоскопических средств.

Течеискание

Пузырьковый метод с использованием вакуумных камер

Вакуумный контроль сварных швов применяют в тех случаях, когда применение других способов почему-либо исключено. В частности, этот метод широко применяется при контроле сварных днищ резервуаров, газгольдеров, цистерн, гидроизоляционных ящиков. Он позволяет обнаружить отдельные поры диаметром до 0,004 0,005 мм, а производительность при его использовании достигает 40 – 60 м сварных швов в час. Вакуум создают при помощи переносной вакуум-камеры, которую устанавливают на наиболее доступной стороне проверяемого участка шва, предварительно обильно смоченной мыльным раствором. В результате разности давлений по обеим сторонам шва воздух будет проникать в камеру при наличии неплотностей в сварном соединении. В местах трещин, непроваров, газовых пор образуются стойкие мыльные пузырьки, хорошо видимые через прозрачный верх камеры. Отметив расположение дефектов мелом, цветным карандашом или краской, впускают атмосферный воздух, камеру снимают и сделанные отметки переносят на сварной шов.

Контроль швов газоэлектрическими течеискателями

В настоящее время применяют два вида газоэлектрических течеискателей: гелиевые и галоидные. Чувствительность газоэлектрических течеискателей к выявлению неплотностей в швах очень высока, но ввиду сложности конструкции и значительной стоимости изготовления их применяют только для контроля особо ответственных сварных конструкций.

Принцип работы гелиевого течеискателя основан на высокой способности гелия при определенном вакууме проходить сквозь неплотности сварных швов. При контроле сварные швы снаружи испытуемой емкости обдувают из резинового шланга тонкой струёй гелия, находящегося под небольшим давлением в специальном сосуде — газометре. При наличии неплотностей в швах гелий или его смесь с воздухом попадает из емкости в масс-спектрометрическую камеру, в которой поддерживается высокий вакуум. При попадании гелия в масс-спектрометрическую камеру в ней возникает ионный ток, который подается на индикаторы — миллиамперметр и сирену. Величина отклонения стрелки миллиамперметра позволяет судить о размерах дефекта.

Какие отклонения выявляет радиографический контроль?

Главная задача любой разновидности НК – выявление деформаций и повреждений. Радиографический метод позволяет определять отклонения сварных швов и стыков труб, находящихся на поверхности, а также возникающих внутри контролируемого объекта.

Посторонние включения (вольфрамовые, окисные, шлаковые)
Трещины, поры, непровары, подрезы
Вогнутые и выпуклые корневые деформации шва в труднодоступных местах
Излишки наплавленного металла
Коррозийные изъяны с геометрическими нарушениями (язвы, питтинги)

Но применение оборудования РК небезгранично, зависит от класса чувствительности и не позволяет выявлять:

Изъяны, величина раскрытия которых ниже стандартных значений
Дефекты, чья плоскость раскрытия не совпадает с направлением просвечивания
Включения и геометрические отклонения, изображения которых на снимках совпадают со сторонними элементами, сварными углами и перепадами

Допустимые габариты изъянов на объектах контроля отражаются в технической документации (чертежи, ТУ), а при отсутствии определяются ГОСТом 23055-78.

Оптический контроль: виды и их описание

Как уже упоминалось выше, оптический метод контроля – это часть ВИК, которая подразумевает использование специальных приборов для выявления глубинных дефектов. Он делится на три вида:

Визуально-оптический, для которого применяются лупа и микроскоп
Дифракционные, интерференционные, голографические, стробоскопические, нефелометрические, поляризационные методы. Они предполагают проверку тех изделий, которые полностью или частично пропускают световое излучение
Телевизионные, спектральные, фотометрические, денситометрические методы НК. Они подразумевают использование соответствующего оборудования и значительно меньше зависят от человеческого фактора