Капиллярный контроль

Капиллярный контроль, капиллярная дефектоскопия, люминесцентная / цветная дефектоскопия — это наиболее распространённые в среде специалистов названия метода неразрушающего контроля проникающими веществами — пенетрантами.

Капиллярный метод контроля — оптимальный способ обнаружения дефектов, выходящих на поверхность изделий. Практика показывает высокую экономическую эффективность капиллярной дефектоскопии, возможность её использования в широком разнообразии форм и контролируемых объектов, начиная от металлов и заканчивая пластмассами.

При относительно низкой стоимости расходных материалов, оборудование для проведения люминесцентной и цветной дефектоскопии является более простым и менее дорогостоящим, чем для большинства других методов неразрушающего контроля.

Историческая справка

Метод исследования поверхности объекта проникающими пенетрантами, который также известен как капиллярная дефектоскопия (капиллярный контроль), появился в нашей стране в 40-х годах прошлого столетия. Капиллярный контроль впервые стали применять в авиастроении. Его простые и понятные принципы остались неизменными до настоящего времени.

За рубежом, примерно в это же время был предложен, а вскоре и запатентован красно-белый метод обнаружения поверхностных дефектов. Впоследствии, он получил название — метод контроля проникающими жидкостями (Liquid penetrant testing). Во второй половине 50-х годов прошлого века материалы для капиллярной дефектоскопии были описаны в военной спецификации США (MIL-1-25135).

Контроль качества проникающими веществами

Возможность контроля качества изделий, деталей и узлов проникающими веществами — пенетрантами существует благодаря такому физическому явлению, как смачивание. Дефектоскопическая жидкость смачивает поверхность, заполняет устье капилляра, тем самым создавая условия для появления капиллярного эффекта.

Проникающая способность — комплексное свойство жидкостей. Это явление — основа капиллярного контроля. Проникающая способность зависит от следующих факторов:

• свойства исследуемой поверхности и степень её очистки от загрязнений;
• физико-химические свойства материала объекта контроля;
• свойства пенетранта  (смачиваемость, вязкость, поверхностное натяжение);
• температура объекта исследования (влияет на вязкость пенетранта и смачиваемость)

Среди прочих видов неразрушающего контроля (НК) капиллярный метод играет особую роль. Во-первых, по совокупности качеств, это идеальный способ контроля поверхности на наличие невидимых глазу микроскопических несплошностей. От других видов НК его выгодно отличают портативность и мобильность, стоимость контроля единицы площади изделия, относительная простота реализации без использования сложного оборудования.

Во-вторых, капиллярный контроль более универсален. Если, к примеру, магнитопорошковый метод применяется только для контроля ферромагнитных материалов имеющих относительную магнитную проницаемость более 40, то капиллярная дефектоскопия применима к изделиям практически любой формы и материала, где геометрия объекта и направление дефектов особой роли не играют.

Развитие капиллярного контроля как метода неразрушающего контроля

Развитие методов дефектоскопии поверхностей, как одного из направлений неразрушающего контроля напрямую связано с научно-техническим прогрессом. Производители промышленного оборудования всегда были озабочены экономией материалов и людских ресурсов. При этом, эксплуатация оборудования зачастую связана с повышенными механическими нагрузками на некоторые его элементы. В качестве примера приведём лопатки турбин авиационных двигателей. В режиме интенсивных нагрузок именно трещины на поверхности лопаток представляют собой известную опасность.

В этом частном случае, как и во многих других, капиллярный контроль оказался как нельзя кстати. Производители быстро оценили преимущества метода капиллярного тестирования, он был взят на вооружение и получил устойчивый вектор развития. Капиллярный метод оказался одним из самых чувствительных и востребованных методов неразрушающего контроля во многих отраслях. Главным образом, в машиностроении, серийном и мелкосерийном производстве.

В настоящее время совершенствование методов капиллярного контроля осуществляется в четырёх направлениях:

• повышение качества дефектоскопических материалов, направленное на расширение диапазона чувствительности;
• снижение вредного воздействия материалов на окружающую среду и человека;
• использование систем электростатического напыления пенетрантов и проявителей для более равномерного и экономного их нанесения на контролируемые детали;
• внедрение схем автоматизации в многооперационный процесс диагностики поверхностей на производстве.

Организация участка цветной и люминесцентной дефектоскопии

Организация участка для цветной или люминесцентной дефектоскопии осуществляется в соответствии с отраслевыми рекомендациями и стандартами предприятий: РД-13-06-2006. Участок закрепляется за лабораторией неразрушающего контроля предприятия, которая аттестуется в соответствии с правилами аттестации и основными требованиями к лабораториям неразрушающего контроля ПБ 03-372-00.

Как в нашей стране, так и за рубежом, использование методов цветной дефектоскопии на крупных предприятиях описано во внутренних стандартах, которые, полностью основаны на национальных. Цветная дефектоскопия описана в стандартах компаний Pratt&Whitney, Rolls-Royce, General Electric, Aerospatiale и других.

Капиллярный контроль — плюсы и минусы

Капиллярный контроль имеет преимущества перед другими видами неразрушающего контроля, но не является подходящим для всех случаев. Рассмотрим их подробно.

Преимущества капиллярного метода

1. Низкие затраты на расходные материалы.
2. Высокая объективность результатов контроля.
3. Может применяться почти для всех твёрдых материалов (металлы, керамика, пластмассы и т.д.) за исключением пористых.
4. В большинстве случаев, капиллярный контроль не требует использования технологически сложного оборудования.
5. Осуществление контроля в любом месте при любых условиях, в том числе стационарных с использованием соответствующего оборудования.
6. Благодаря высокой производительности контроля возможна быстрая проверка крупных объектов имеющих большую площадь исследуемой поверхности. При использовании данного метода на предприятиях с непрерывным производственным циклом возможен поточный контроль изделий.
7. Капиллярный метод идеально подходит для обнаружения всех типов поверхностных трещин, обеспечивая чёткую визуализацию дефектов (при осуществлении контроля должным образом).
8. Прекрасно подходит для контроля изделий со сложной геометрией, лёгких металлических деталей, например, турбинных лопаток в аэрокосмической отрасли и энергетике, деталей двигателей в автомобильной промышленности.
9. При определённых обстоятельствах метод может быть применён для испытаний на герметичность. Для этого пенетрант наносится на одну сторону поверхности, а проявитель на другую. В месте утечки пенетрант вытягивается на поверхность проявителем. Контроль герметичности для обнаружения и определения местонахождения утечек чрезвычайно важен для таких изделий как резервуары, ёмкости, радиаторы, гидравлические системы и т.п.
10. В отличие от рентгеновского контроля капиллярная дефектоскопия не требует специальных мер безопасности, таких как применение средств радиационной защиты. Во время проведения исследований оператору достаточно проявлять элементарную осторожность при работе с расходными материалами и пользоваться респиратором.
11. Отсутствие специальных требований, касающихся знаний и квалификации оператора.

Ограничения для цветной дефектоскопии

1. Основным ограничением капиллярного метода контроля является возможность обнаружения только тех дефектов, которые открыты к поверхности.
2. Фактором, снижающим эффективность капиллярного тестирования, является шероховатость объекта исследований. Пористая структура поверхности приводит к получению ложных показаний.
3. К особым случаям, хотя и достаточно редким, следует причислить малую смачиваемость поверхности некоторых материалов пенетрантами как на водной основе, так и на основе органических растворителей.
4. В некоторых случаях к недостаткам метода можно отнести сложность выполнения подготовительных операций, связанных с удалением лакокрасочных покрытий, оксидных плёнок и сушкой деталей.

Способы тестирования

В капиллярном контроле применяются различные способы тестирования, основанные на комбинации использования пенетрантов, материалов для подготовки поверхности, проявителей и оборудования для капиллярных исследований. В настоящее время на рынке имеется достаточное количество расходных материалов для капиллярного контроля, которые позволяют провести выбор и разработку методик, удовлетворяющих, по существу, любым требованиям чувствительности, совместимости и экологии.

Физические основы капиллярной дефектоскопии

Капиллярный неразрушающий контроль базируется на проникновении пенетрантов в полости, которые образуют дефекты на поверхности изделий. Пенетрант — это краситель. Его след, после соответствующей обработки поверхности, регистрируется визуально или с помощью приборов.

Основа капиллярной дефектоскопии — это капиллярный эффект, как физическое явление и пенетрант, как вещество с определёнными свойствами. На капиллярный эффект оказывают влияние такие явления как поверхностное натяжение, смачивание, диффузия, растворение, эмульгирование. Но, для того, чтобы эти явления работали на результат, поверхность объекта контроля должна быть хорошо очищена и обезжирена.

Если поверхность подготовлена должным образом, то капля пенетранта, попавшая на неё быстро растекается, образуя пятно. Это говорит о хорошем смачивании. Под смачиванием, или прилипанием к поверхности, понимают способность жидкого тела образовывать устойчивую поверхность раздела на границе с твёрдым телом. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости и твёрдого тела превышают силы взаимодействия между молекулами внутри жидкости, то происходит смачивание поверхности твёрдого тела.

Частицы пигмента пенетранта, во много раз меньше по размеру, чем ширина раскрытия микротрещин и прочих повреждений поверхности объекта исследования. Кроме того, важнейшим физическим свойством пенетрантов является низкое поверхностное натяжение. За счёт этого параметра пенетранты обладают достаточной проникающей способностью и хорошо смачивают различные виды поверхностей — от металлов, до пластика.

Проникновение пенетранта в полости дефектов и последующее извлечение пенетранта в процессе проявки происходит под действием капиллярных сил. А расшифровка дефекта становится возможной за счёт разницы в цвете между фоном и участком поверхности над дефектом, если речь идёт о цветной дефектоскопии. В люминесцентной дефектоскопии дефекты обнаруживаются свечением участка над дефектом в ультрафиолетовом свете.

Таким образом, при обычных условиях, очень мелкие дефекты на поверхности объекта контроля человеческому глазу не видны. В процессе поэтапной обработки поверхности специальными составами, на котором и основана капиллярная дефектоскопия, над дефектами образуется легко читаемый, контрастный индикаторный рисунок.

В цветной дефектоскопии, за счёт действия проявителя пенетранта, который «вытягивает» пенетрант на поверхность силами диффузии, размер индикации обычно оказывается существенно больше, чем размер самого дефекта. Размер индикаторного рисунка в целом, при соблюдении технологии контроля, зависит от поглощённого несплошностью объёма пенетранта. При оценке результатов контроля можно провести некоторую аналогию с физикой «эффекта усиления» сигналов. В нашем случае, «выходной сигнал» — это контрастный индикаторный рисунок, который по размеру может быть в несколько раз больше чем «входной сигнал» — нечитаемое глазом изображение дефекта.

Дефектоскопические материалы

Дефектоскопические материалы для капиллярного контроля представляют собой средства, которые используются при контроле жидкостью, проникающей в поверхностные несплошности проверяемых изделий.

Пенетрант

Пенетрант — индикаторная жидкость, проникающее вещество. От английского «penetrate» — проникать.

Пенетрантами называют капиллярный дефектоскопический материал, который способен проникать в поверхностные несплошности контролируемого объекта. Проникновение пенетранта в полость повреждения происходит под действием капиллярных сил. В результате малого поверхностного натяжения и действия сил смачивания, пенетрант заполняет пустоту дефекта через устье, открытое к поверхности, образуя, при этом, вогнутый мениск.

Пенетрант — главный расходный материал для капиллярной дефектоскопии. Пенетранты различают по способу визуализации на контрастные (цветные) и люминесцентные (флуоресцентные), по способу удаления с поверхности на водосмываемые и удаляемые очистителем (пост-эмульгируемые), по чувствительности на классы в порядке убывания — I, II, III и IV классы по ГОСТ 18442-80.

Зарубежные стандарты MIL-I-25135E и AMS-2644 в отличие от ГОСТ 18442-80 разделяют уровни чувствительности пенетрантов на классы в порядке возрастания: 1/2 — ультранизкая чувствительность, 1 — низкая, 2 — средняя, 3 — высокая, 4 — сверхвысокая.

К пенетрантам предъявляют целый ряд требований, главное из которых — хорошая смачиваемость. Следующий, важный для пенетрантов параметр — вязкость. Чем она ниже, тем меньше времени требуется для полной пропитки поверхности объекта контроля. В капиллярном контроле учитываются такие свойства пенетрантов, как:

• смачиваемость;
• вязкость;
• поверхностное натяжение;
• летучесть;
• точка воспламенения (температура вспышки);
• удельный вес;
• растворимость;
• чувствительность к загрязнениям;
• токсичность ;
• запах;
• инертность.

В состав пенетранта обычно входят высококипящие растворители, люминофоры, красители на основе пигмента или растворимые, поверхностно-активные вещества — ПАВ, ингибиторы коррозии, связующие. Пенетранты выпускаются в баллонах для аэрозольного нанесения, пластиковых канистрах и бочках.

Проявитель

Проявитель — материал для капиллярного контроля, который, благодаря своим свойствам, извлекает на поверхность находящийся в полости дефекта пенетрант.

Проявитель пенетранта, как правило, имеет белый цвет и выступает в качестве контрастирующего фона для индикаторного изображения.

Проявитель наносится на поверхность объекта контроля тонким, равномерным слоем после её промежуточной очистки от пенетранта. После процедуры промежуточной очистки некоторое количество пенетранта остаётся в зоне дефекта. Проявитель, под действием сил адсорбции, абсорбции или диффузии, в зависимости от типа действия, «вытягивает» на поверхность оставшийся в капиллярах дефектов пенетрант.

Таким образом, пенетрант под действием проявителя «подкрашивает» участки поверхности над дефектом, образуя чёткую дефектограмму — индикаторный рисунок, повторяющий расположение дефектов на поверхности.

По типу действия проявители разделяют на сорбционные — порошки и суспензии и диффузионные — краски, лаки и плёнки. Чаще всего, проявители представляют собой химически нейтральные сорбенты из соединений кремния, белого цвета. Такие проявители, покрывая поверхность создают слой, имеющий микропористую структуру, в которую, под действием капиллярных сил, легко проникает красящий пенетрант. При этом, слой проявителя над дефектом окрашивается в цвет красителя, либо начинает флуоресцировать в ультрафиолетовом свете, если применяется люминесцентный пенетрант. В последнем случае использование проявителя не обязательно, так как он лишь уменьшает чувствительность контроля.

Правильно выбранный проявитель должен обеспечивать равномерное покрытие поверхности. Чем выше сорбционные свойства проявителя, тем лучше он «вытягивает» пенетрант из капилляров в ходе проявки. Это важнейшие свойства проявителя, определяющие его качество.

Капиллярный контроль предполагает использование сухих и мокрых проявителей. В первом случае речь идёт о порошковых проявителях, во втором о проявителях на водной основе — водные, водосмываемые, или на основе органических растворителей — не водные.

Проявитель в составе дефектоскопической системы, как и остальные материалы этой системы подбирается исходя из требований к чувствительности. Например, для выявления дефекта, имеющего ширину раскрытия до 1 микрона, в соответствии с американским стандартом AMS-2644 для диагностики движущихся деталей газотурбинной установки следует применять порошковый проявитель и люминесцентный пенетрант.

Порошковые проявители обладают хорошей дисперсностью и наносятся на поверхность электростатическим или вихревым способом, с образованием тонкого и равномерного слоя, необходимого для гарантированного вытягивания небольшого объёма пенетранта из полостей микротрещин.

Проявители на водной основе не всегда обеспечивают создание тонкого и равномерного слоя. В этом случае, при наличии на поверхности мелких дефектов, пенетрант не всегда выходит на поверхность. Слишком толстый слой проявителя может маскировать дефект.

Проявители могут химически взаимодействовать с индикаторными пенетрантами. По характеру этого взаимодействия проявители разделяют на химически активные и химически пассивные. Последние получили наиболее широкое распространение. Химически активные проявители реагируют с пенетрантом. Обнаружение дефектов, в этом случае, производится по наличию продуктов реакции. Химически пассивные проявители выступают лишь в роли сорбента.

Проявители пенетрантов выпускаются в баллонах для аэрозольного нанесения, пластиковых канистрах и бочках.

Эмульгатор пенетранта

Эмульгатор или гаситель пенетранта по ГОСТ 18442-80 — это дефектоскопический материал, применяемый для промежуточной очистки поверхности при использовании постэмульгируемого пенетранта.

В процессе эмульгирования оставшийся на поверхности пенетрант взаимодействует с эмульгатором. Впоследствии, полученная смесь удаляется водой. Целью процедуры является очистка поверхности от избытка пенетранта.

Процесс эмульгирования может оказывать существенное влияние на качество визуализации дефектов, особенно при контроле объектов с шероховатой поверхностью. Выражается это в получении контрастирующего фона необходимой чистоты. Для получения хорошо читаемого индикаторного рисунка, яркость фона не должна превышать яркость индикации.

В капиллярном контроле применяют липофильные и гидрофильные эмульгаторы. Липофильный эмульгатор изготавливается на масляной основе, гидрофильный на водной. Различаются они механизмом действия. Липофильный эмульгатор, покрывая поверхность изделия, переходит в оставшийся пенетрант под действием сил диффузии. Получившаяся смесь легко удаляется с поверхности водой.

Гидрофильный эмульгатор действует на пенетрант иным образом. При его воздействии пенетрант разделяется на множество частиц меньшего объёма. В результате образуется эмульсия, и пенетрант утрачивает свойства к смачиванию поверхности объекта контроля. Полученная эмульсия удаляется механически смыванием водой. Основа гидрофильных эмульгаторов — растворитель и ПАВ.

Очиститель пенетранта

Очиститель для капиллярного контроля — это органический растворитель для удаления излишков пенетранта, очистки и обезжиривания поверхности при предварительной очистке.

Существенное влияние на смачивание поверхности оказывают её микрорельеф и степень очистки от масел, жиров и прочих загрязнений. Для того, чтобы пенетрант проникал даже в самые мелкие поры, в большинстве случаев, механической очистки недостаточно. Поэтому, перед проведением контроля поверхность детали обрабатывают специальными очистителями, изготовленными на основе высококипящих растворителей.

Важнейшими свойствами современных очистителей поверхности для капиллярного контроля являются:

• способность к обезжириванию;
• отсутствие нелетучих примесей (способность к испарению с поверхности без оставления следов);
• минимальное содержание вредных веществ, оказывающих влияние на человека и окружающую среду;
• диапазон рабочих температур.

Совместимость расходных материалов для капиллярного контроля

Дефектоскопические материалы для капиллярного контроля по физическим и химическим свойствам должны быть совместимы как между собой, так и с материалом объекта контроля. Компоненты пенетрантов, очищающих средств и проявителей не должны приводить к потере эксплуатационных свойств контролируемых изделий и к порче оборудования.

Оборудование

Оборудование, используемое при капиллярном контроле:

• эталонные или контрольные образцы для капиллярной дефектоскопии;
• источники ультрафиолетового освещения (УФ фонари и светильники);
• испытательные панели — тест-панели;
• пневмогидропистолеты;
• пульверизаторы;
• камеры для капиллярного контроля;
• системы электростатического нанесения дефектоскопических материалов;
• системы очистки воды;
• сушильные шкафы;
• баки для иммерсионного нанесения пенетрантов.

Контрольные образцы для капиллярной дефектоскопии

Контрольные (стандартные, эталонные, испытательные) образцы для капиллярного контроля представляют собой пластины из металла с нанесёнными на них искусственными трещинами (дефектами) определённого размера. Поверхность контрольных образцов может иметь шероховатость.

Контрольные образцы изготавливаются по зарубежным нормативам, в соответствии с европейскими и американскими стандартами EN ISO 3452-3, AMS 2644C, Pratt & Whitney Aircraft TAM 1460 40 (стандарт предприятия — крупнейшего американского производителя авиационных двигателей).

Контрольные образцы используют:

• для определения чувствительности тест-систем на основе разных дефектоскопических материалов (пенетрант, проявитель, очиститель);
• для сравнения пенетрантов, один из которых может быть взят за образцовый;
• для оценки качества смываемости люминесцентных (флуоресцентных) и контрастных (цветных) пенетрантов в соответствии с нормами AMS 2644C;
• для общей оценки качества капиллярного контроля.

Использование контрольных образцов для капиллярного контроля в российском ГОСТ 18442-80 не регламентировано. Тем не менее, в нашей стране контрольные образцы активно применяются в соответствии с ГОСТ Р ИСО 3452-2-2009 и нормами предприятий (например, ПНАЭГ-7-018-89) для оценки пригодности дефектоскопических материалов.

Методики капиллярного контроля

На сегодняшний день накоплен достаточно большой опыт применения капиллярных методов для целей эксплуатационного контроля изделий, узлов и механизмов. Однако, разработку рабочей методики для проведения капиллярного контроля часто приходится осуществлять отдельно для каждого конкретного случая. При этом учитываются такие факторы, как:

1. требования к чувствительности;
2. состояние объекта;
3. характер взаимодействия дефектоскопических материалов с контролируемой поверхностью;
4. совместимость расходных материалов;
5. технические возможности и условия выполнения работ;
6. характер ожидаемых дефектов;
7. прочие факторы, влияющие на эффективность капиллярного контроля.

ГОСТ 18442-80 определяет классификацию основных капиллярных методов контроля в зависимости от типа проникающего вещества — пенетранта (раствор, либо суспензия частиц пигмента) и в зависимости от способа получения первичной информации:

1. яркостный (ахроматический);
2. цветной (хроматический);
3. люминесцентный (флуоресцентный);
4. люминесцентно-цветной.

Тип 1. Флуоресцентные (люминесцентные) методы:

• метод А: водосмываемый (Группа 4);
• метод В: последующего эмульгирования (Группы 5 и 6);
• метод С: органорастворимый (Группа 7).

Тип 2. Цветные методы:

• метод А: водосмываемый (Группа 3);
• метод В: последующего эмульгирования (Группа 2);
• метод С: органорастворимый (Группа 1).

Выявляемые дефекты

Методы капиллярной дефектоскопии позволяют выявлять дефекты, выходящие на поверхность изделия: трещины, поры, раковины, непровары, межкристаллитная коррозия и другие несплошности с шириной раскрытия менее 0,5 мм.

Материал опубликован на сайте элитест.рф в 2016 году.