В статье рассмотрен контроль жидкими пенетрантами - основной метод дефектоскопии поверхности. Приводятся физические основы, прин­цип действия и особенности метода. Сравниваются отечественные и зару­бежные пенетранты; с точки зрения чувствительности метода анализиру­ются класс чувствительности капил­лярного контроля, эталоны и контрольные образцы.

0б авторе

 

 

Дамаскинский Евгений Алексеевич 

Заместитель генерального ди­ректора ООО "Зайферт-Рентген" (Санкт-Петербург). Кандидат физико- математических наук. Научные инте­ресы - методы неразрушающего конт­роля, детекторы ионизирующих излу­чений.

 

 

Особенности капиллярных методов неразрушающего контроля

Среди разнообразных методов неразрушающего контроля (НК) капиллярная дефектоскопия занимает особое положение. Во-первых, этот метод пригоден только для контроля поверхности материала или изделия, и, во-вторых, среди различных методов контроля поверхности капиллярный метод отличается универ­сальностью. Так, если метод течеискания применим только для определения сквозных деформаций, а магнитопорошковый метод применяется для контроля ферромагнитных материалов и изде­лий с относительной магнитной проницаемостью не менее 40, то капиллярный метод используется независимо от материала и формы объекта контроля (ОК), геометрии и направления дефек­тов. Он пригоден для выявления несплошностей с поперечными размерами 0,1 - 500 мкм, в том числе сквозных, на поверхности черных и цветных металлов, сплавов, керамики, стекла и т. п. За рубежом его называют методом контроля проникающими жидко­стями (Liquid penetrant testing). По совокупности качеств: возмож­ности выявления микроскопических дефектов на поверхности, недоступных другим методам НК, стоимости контроля единицы площади изделия, простоте, отсутствию сложной аппаратуры, портативности и мобильности - капиллярный метод превосходит все другие методы.

Развитие методов дефектоскопии поверхностей тесно свя­зано с техническим прогрессом. Современное промышленное обо­рудование изготавливается при минимальном расходе материала, а эксплуатируется при больших, почти предельных нагрузках. В та­ком режиме именно трещины на поверхности представляют собой наиболее опасные дефекты, т. к. локальные напряжения в надрезе могут привести к скорому разрыву. Для обнаружения поверхност­ных дефектов и был предложен пенетрантный метод. Произошло это во время Второй мировой войны, когда сотрудник компании Юнкерс Хельмут Клумпф запатентовал красно-белый капилляр­ный метод обнаружения поверхностных дефектов. Как это часто бывает в истории техники, параллельно и независимо аналогич­ный метод стал применяться по другую сторону океана, в США.

Сегодня десятки компаний предлагают различные пенет- ранты, которые нашли широкое применение в энергомашино­строении, судостроительной промышленности, авиационной и космической технике, в атомной энергетике, при контроле обору­дования, подведомственного Госгортехнадзору и т.д.

Физические основы и принцип действия

Метод основан на капиллярном проникновении внутрь де­фекта индикаторной жидкости, хорошо смачивающей материал ОК, с последующей регистрацией индикаторных следов.

Красящий пенетрант наносится на поверх­ность. Благодаря особым качествам, которые обеспечиваются подбором определенных физи­ческих свойств пенетранта: поверхностного на­тяжения, вязкости, плотности, он под действием капиллярных сил проникает в мельчайшие от­крытые на поверхности дефекты.

Проявитель растворяет находящийся внутри дефекта краситель, во время испарения несу­щей жидкости сорбирует его и за счет диффузии "вытягивает" оставшийся в дефекте пенетрант на поверхность.

Имеющиеся дефекты видны достаточно контрастно. Индикаторные следы в виде ветвя­щихся линий указывают на трещины или цара­пины, отдельные точки - на поры.

Контроль цветными пенетрантами

Процесс обнаружения дефектов капилляр­ным методом разделяется на 5 стадий, четыре из которых схематично показанны на рисунке.

Стадия I. Предварительная очистка поверхности Чтобы краситель мог проникнуть в дефекты на поверхности, ее предварительно следует тщательно очистить водой или органическим очистителем. Все загрязняющие вещества (масла, ржавчина, накипь и т. п.), любые покрытия (метал­лизация, краска и т. п.) должны быть удалены с контролиру­емого участка. После этого поверхность и полости дефектов должны быть высушены, чтобы внутри дефекта не осталось следов воды или очистителя.

Стадия 2. Применение пенетранта Пенетрант, обычно красного цвета, наносится на поверх­ность путем распыления, кистью или погружением ОК в ванну, чтобы контролируемый участок хорошо пропитался и полностью покрылся пенетрантом. Рекомендуемое время контакта от 5 до 30 мин. при температуре 5-50^o С.

Стадия 3. Удаление избытка пенетранта Избыток пенетранта удаляется протиркой салфеткой, про­мыванием водой, либо используя тот же самый очиститель, который применялся на первой стадии. При выполнении этой операции важно иметь в виду, что пенетрант следует удалить с поверхности, но не из полости дефекта. Контро­лируемую поверхность далее высушивают безворсовой материей или струей воздуха. Теплый воздух с темпе­ратурой до 50^o С ускоряет процесс сушки.

В случае наличия на поверхности дефектов с шириной раскрытия более 0,1 мм обычно применяют эмульгатор. При промежуточном промывании водой краситель эмуль­гирует, т. е. образует желатиноподобную смесь, и, тем са­мым, препятствует вымыванию красителя из дефекта. Если же использовать очиститель, то есть опасность вымывания пенетранта и неправильной индикации дефекта.

Стадия 4. Применение проявителя

Сразу же после просушки на контролируемую поверхность наносится проявитель обычно белого цвета. Проявитель наносится тонким, равномерным слоем, поскольку толстый слой будет маскировать дефекты и затруднять индикацию. Для этого подходят как разбрызгиватели, так и распылите­ли. Наиболее удобны для выполнения этой операции аэро­зольные баллончики, которые дают наиболее тонкий слой на поверхности. Нанесение проявителя кистью недопустимо. После нанесения проявителя следует выждать некоторое время, чтобы достичь максимальной визуализации дефекта. Время изменяется от 5 мин. для больших разрывов до 1 ч для тонких дефектов. Поверхностные дефекты будут про­являться как красные следы на белом фоне. Могут использоваться как смываемые, так и водостойкие проявители. В смываемом проявителе индикаторный рисунок дефекта во время проявки постоянно увеличивается, "кро­воточит". В водостойком проявителе следы сразу же после испарения несущей жидкости (примерно через одну-две минуты) жестко фиксируются. В этом случае результат конт­роля можно документировать каким-нибудь способом, напри­мер, используя сканер, записать его в память компьютера.

Стадия 5. Контроль

Инспектирование ОК начинается непосредственно после окончания процесса проявки и заканчивается согласно разным стандартам не более, чем через 30 мин. Относительная оценка глубины дефекта возможна по цве­товому пятну. Если пятно проявляется как бледно-красное, дефект залегает неглубоко в материале. Темно-красные ли­нии указывают на более глубокие дефекты. После проведения контроля смываемый проявитель легко удаляется с поверхности. Водостойкий проявитель удаля­ется очистителем.

Сквозные трещины на тонкостенных контролируемых дета­лях можно обнаружить, если с одной стороны ОК нанести красящий пенетрант, а с другой - проявитель. Прошедший насквозь краситель будет хорошо виден в слое проявителя.

Флуоресцентный метод контроля

Все описанные выше стадии применения цветных пенетрантов присутствуют и во флуо­ресцентном методе. Отличие состоит в том, что вместо красящего пенетранта применяется флуо­ресцирующее вещество, которое под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны 315-400 нм излучает в видимой части спектра.

Класс чувствительности капиллярного контроля

Согласно ГОСТ 18442-80 класс чувстви­тельности контроля определяется в зависимости от размера выявляемых дефектов. В качестве параметра размера дефекта принимается попе­речный размер дефекта на поверхности ОК - так называемая ширина раскрытия дефекта (табл. 1).

Таблица 1

Класс чувствительности	Ширина раскрытия дефекта, мкм
I	менее 1
II	от 1 до 10
III	от 10 до 100
IV	от 100 до 500
технологический	не нормируется

 

За рубежом установлены другие шкалы чувст­вительности пенетрантов. Например, в немецком промышленном стандарте DIN 54 152, который применяется и в ряде других стран Европы, чувст­вительность пенетрантов также разделяется на четыре класса, но шкала чувствительности об­ратная (табл. 2).

Таблица 2

Класс чувствительности	Ширина раскры­тия дефекта, мкм (± 20 %)	Толщина никелевого покрытия, мкм (± 10 %)
I - низкий	4	100
II - средний	2	60
III - высокий	1	60
IV - очень высокий	0,6	50

Обратим внимание на очень высокую шка­лу чувствительности по DIN в сравнении с ГОСТ 18442-80. А именно, все четыре класса чувстви­тельности по DIN "укладываются" в полтора высших класса чувствительности по ГОСТ.

Эталоны и контрольные образцы

Чувствительность отечественных дефектоско­пических материалов определяется на контрольных образцах, т. е. на пластинах с заранее нормируе­мыми свойствами, изготовленными по опреде­ленной технологии. Образцы представляют собой стальные или титановые пластины с задан­ной шероховатостью поверхности, на которую нанесены трещины определенных размеров и формы. Контрольные образцы позволяют, прежде всего, получить представление о возможностях индикации трещин на ОК. Кроме того, контрольные образцы служат для постоянного периодического контроля важнейших свойств пенетрантов: чувст­вительности и смываемости. В частности, по контрольным образцам можно определить сте­пень ухудшения свойств пенетрантных наборов; выбрать технологические режимы контроля.

Процедура определения чувствительности зарубежных пенетрантов отличается от описан­ной выше. Согласно DIN 54 152 все пенетранты подвергаются квалификационному тесту на со­ответствие качеству, который проводится неза­висимыми организациями. Для сравнения чувст­вительности различных пенетрантов в качестве "эталонной поверхности" используются никели­рованные пластины с различной толщиной по­крытия. Калиброванные трещины наносятся на "стандартную" поверхность, обеспечивая одина­ковые условия сравнения.

Квалификационный тест включает также из­мерение физических величин (вязкость, плотность и т. п.), от которых зависит качество пенетрантов. При положительных результатах производитель получает сертификат качества продукции.

Кроме того, DIN 54 152 предусматривает тестирование пенетрантов, которое выполняется пользователем. Эталоны пользователя позволяют правильно оценить качество применяемых пе­нетрантов и сравнить результаты применения разных технологических методик.

Жидкие пенетранты

Эффективность капиллярного контроля при прочих одинаковых условиях определяется свой­ствами дефектоскопических материалов: пенет- ранта, проявителя, очистителя. Последовательное применение этих материалов в определенным образом подобранном сочетании (в наборе), по­зволяет получать наилучшие результаты. Отечест­венные наборы хорошо известны. Опыт показал, что их применение позволяет на­дежно решать весь круг задач капиллярной де­фектоскопии. К сожалению, отечественные жидкие пенетранты выпускаются только в разливном виде и не производятся в аэрозольной упаковке.

Аэрозольный баллончик удобен, когда объектом контроля является не все изделие, а лишь отдельные участки его поверхности, в труднодоступных для контроля участках поверх­ности изделия, в случаях применения на откры­том воздухе. Такая упаковка обеспечивает эко­номичность расходования пенетранта, энерго- и ресурсосберегаемость при проведении НК. Пе- нетрант (проявитель, очиститель), содержащийся в баллончике, имеет гарантированные качество и свойства, т. е. может использоваться без до­полнительной проверки. Отсюда и надежность контроля, и экономия рабочего времени. Аэро­зольные баллончики делают НК портативным и мобильным. Они компактны (объем 400 или 500 мл), имеют небольшой вес (не более 0,5 кг), легко удерживаются в одной руке и позволяют вести распыление почти из любого положения.

Контроль пенетрантами в аэрозольной упа­ковке широко распространен в Европе и США. В нашей стране этот способ контроля только на­чал применяться. Важно заметить, что ГОСТ 18442-80 не накладывает никаких ограничений на тип и состав используемых дефектоскопичес­ких материалов.

Десятки европейских фирм могут предло­жить более сотни типов пенетрантов. Возникает естественный вопрос: какой набор пенетрантов является наилучшим? Не представляется воз­можным теоретически показать преимущества одного набора пенетрантов перед другим. Путь прямого сравнения некоторых технических пока­зателей, таких, например, как класс чувствитель­ности, также не позволяет выявить лучший набор пенетрантов, т. к. выбор класса чувстви­тельности определяется задачами, для решения которых выпускаются разные по чувствитель­ности пенетрантные наборы. Лучшим является тот набор, который надежно решает Вашу за­дачу в соответствии с требованиями техниче­ской документации на ОК.

В табл. 3 и 4 приведены наборы для цвет­ного и люминесцентного методов контроля жид­кими пенетрантами, выпускаемых фирмами, которые до настоящего времени были пред­ставлены на российском рынке.

Два слова о пенетрантах, работающих при различных температурных условиях. Диапазон температур, при которых работают пенетранты (т. е. температур ОК) составляет 10-35° С для отечественных наборов и от -10 до +100° С для зарубежных. Отечественный набор № 2 допус­кает применение при самой низкой температуре (-40° С), наборы для работы при самой высокой температуре предлагают фирмы HELLING (до 175°С) и BYCOSIN (до 200°С).

С большим удовольствием я приношу бла­годарность сотрудникам тех компаний, которые любезно откликнулись на предложение при­слать информацию о своих фирмах и выпускае­мой ими продукции.

 

НАБОРЫ ДЛЯ ЦВЕТНОГО КОНТРАСТНОГО МЕТОДА       

Таблица 3  

НАБОРЫ ДЛЯ ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО МЕТОДА     

Таблица 4

 

Принятые сокращения: 1) Пенетрант: кр - красный; гол - голубой. 2) Очиститель: Н - гидрофильный, V - липофильный.3) Проявитель: сух. - сухой.