Разработка и совершенствование методов неразрушающего контроля конструкций тепловых двигателей

Одним из основных показателей уровня развития промышленности является качество выпускаемой продукции. Понятие качества очень обширно и отличается для каждого конкретного изделия и материала, а кроме того постоянно находится в непрерывном развитии. Качеству продукции можно дать следующее общее определение — это «совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением» [19]. В это понятие входят самые различные параметры, которые необходимо контролировать. Это и химический состав, и геометрические параметры, и физико-механические характеристики, и многие другие свойства контролируемого объекта. Важную роль в решении задачи обеспечения выпуска качественной продукции играют методы и средства контроля качества. Современные методы контроля качества материалов и изделий подразделяются на два больших класса — разрушающие и неразрушающие методы контроля. Обнаружение и поиск дефектов являются процессами определения технического состояния объекта и объединяются термином «диагностирование.

Решение задачи обеспечения контроля качества всего объема выпускаемой продукции возможно только при условии применения методов и средств неразрушающего контроля и диагностики (НК и Д). Зарождение неразрушающего контроля обычно относят ко времени открытия в ноябре 1895 г. рентгеновского излучения, благодаря которому был обнаружен предмет в закрытой деревянной коробке и неоднородность внутренней структуры материала. С тех пор методы неразрушающего контроля существенно изменились, превратившись в независимую отрасль науки и техники. Сейчас развитие методов НК относится к числу наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса. Это объясняется тем, что методы НК позволяют не только контролировать, но и управлять качеством продукции, предсказывая ее свойства, параметры, при отказе изделий. В связи с усложнением современных промышленных изделий и использованием новейших конструкционных материалов, имеющих сложную внутреннюю структуру, а также с повышением требований к надежности новой техники объем контрольных операций в промышленности резко возрастает. В настоящее время контроль качества является самой массовой технологической операцией в производстве, поскольку ни одна деталь не может быть изготовлена без измерения ее технологических параметров. Так, например, в передовых странах затраты на проведение контроля качества составляют в среднем 5% от стоимости выпускаемой продукции, а в таких отраслях, как аэрокосмическая или атомная, затраты на контроль качества возрастают до 20%. Однако такие значительные затраты быстро окупаются, поскольку благодаря применению методов и средств НК на всех стадиях производства обеспечивается требуемое качество изделий, увеличивается их надежность и повышается производительность труда[19].

Дефектоскопия, т. е. поиск дефектов с помощью неразрушающих методов контроля, позволяет обеспечивать заданный уровень надежности, добиваться увеличения долговечности с высокой эффективностью и производительностью. Средства неразрушающего контроля предназначены для выявления дефектов типа несплошности материала, контроля геометрических параметров изделий, оценки физико-механических свойств материала изделий. С помощью дефектоскопов получают информацию в виде электрических, световых, звуковых и других сигналов о качестве контролируемых объектов.

Существуют четыре важных направления развития НК и Д[51].

1. Интеллектуализация методов и средств НК и Д. В настоящее время НК и Д используют более 100 физических методов исследования, тысячи типов приборов с объемом продаж в десятки миллиардов американских долларов.

Интеллект диагностики начинается прежде всего с правильного выбора физического эквивалента, наиболее адекватного изучаемому явлению, характеризующему работоспособность объекта. На основе этого должна проектироваться диагностическая технология. Для решения этой проблемы используются датчики на базе микроэлектронной технологии, построенные на основе самых различных физических явлений и химических преобразований.

Широкая номенклатура преобразователей и сенсоров требует обоснованного выбора оптимального варианта использования их на практике, согласования с исследуемыми параметрами и функциями управления объектов контроля.

Интеллектуализация современных методов НК и Д связана с их интенсивной компьютеризацией, широким использованием встроенных процессоров, персональных и мини-ЭВМ, разработкой большого ряда программ, алгоритмов тестового и функционального диагностирования. Стали нормой перевод диагностической информации в двухи трехмерное изображение с последующей обработкой в реальном масштабе времени, амплитудо-фазочастотная обработка многомерного сигнала, реконструктивная томография, томосинтез и т. д. Это потребовало введения в аппаратуру множества специальных процессоров и устройств.

Переход на экспертные диагностические системы, многомашинные испытательные комплексы для крупных промышленных объектов, позволяющие определять остаточный ресурс и риск эксплуатации, — актуальнейшая проблема научно-технического прогресса (НТП).

2. Разработка единой системы контроля качества технических объектов и окружающей среды. С увеличением масштаба НТП, постоянными стихийными бедствиями (землетрясения, цунами, смерчи и т. п.), бурным ростом экологических проблем регионов все более необходимой становится неразрывная взаимосвязь методов и средств определения состояния крупных промышленных объектов и окружающей среды.

В то же время наглядно прослеживается развитие диагностических систем и устройств для исследования микрообъектов в связи с бурным развитием микроэлектроники, биотехнологий и других направлений НТП. Микротомография, рентгенотелевизионная микроскопия, микротомоскопия, микроэндоскопия и прочие важнейшие разделы интроскопии будут помогать проводить исследования и создавать новые материалы и объекты на микроуровне. Диапазон объектов контроля и диагностирования не ограничен ни по нижнему, ни по верхнему пределу геометрического размера, и это должно учитываться при создании единого оптимизированного и экономически обоснованного ряда приборов и систем НК и Д.

3. Совершенствование диагностических технологий. Технические средства НК и Д включают в себя аппаратурную часть, программное обеспечение и эксплуатационно-техническую документацию. К сожалению, разработкам необходимой технологической документации, методикам, исследованию оптимальных процедур НК и Д уделяется явно недостаточное внимание.

Контрольно-диагностические операции следует рассматривать как важнейший, обеспечивающий качество технологический передел со всеми вытекающими из этого выводами. От правильного выбора НК и Д в большой степени зависит эффективность конечного результата — долговременная работоспособность объектов при минимальных затратах.

Технология должна предусматривать спектр различных конструкций контрольно-диагностических приборов — от ручного до автоматизированного исполнения при рациональном сочетании их применения в процессах производства, испытаний и эксплуатации объектов. Она должна иметь библиотеку алгоритмов и программ диагностирования, выполненных применительно к конкретным изделиям, операциям и задачам обнаружения дефектов.

Самый важный момент — принятие решения о несоответствии изделия предъявляемым требованиям и прекращении его эксплуатации или функционирования — должен быть особо отмечен и научно обоснован в технологии. Фундаментом этого решения является предварительно набранный статистический материал.

Диагностические технологии необходимо предварительно опробовать, они не могут содержать неразумных требований в виде «не допускаются никакие виды дефектов», должны работать только на опережение, надежно распознавать предаварийную ситуацию, никаким образом не допускать аварийной эксплуатации изделий. Главным становится не вычисление размеров дефектов (дефектометрия), а определение остаточного ресурса объекта контроля, степени риска его эксплуатации, создание соответствующих методик и стандартов по определению остаточного ресурса объектов.

Должен быть осуществлен переход от диагностики к эксплуатации по состоянию объектов, созданию и внедрению отраслевых систем диагностического обслуживания, предусматривающих сочетание диагностических обследований, оперативное устранение вскрытых дефектов и поддержание технического состояния объекта на должном уровне.

4. Организационное обеспечение НК И Д на международном уровне. В большинстве стран мира НК и Д осуществляют и развивают специалисты, работающие в университетах, институтах, на различных предприятиях государственного, муниципального, акционерного и частного уровней.

Эти специалисты и предприятия, использующие, эксплуатирующие и подготавливающие специалистов в области НК и Д, объединяются в массовые независимые общественные организации — национальные общества по НК и Д, которые организуют взаимодействие на международном уровне, проводят конференции, выставки, специализированные совещания, создают международные стандарты и т. п.

1-я международная конференция по НК и Д была проведена в Брюсселе в 1955 г. Национальная конференция СССР по НК и Д состоялась в 1956 г. в Ленинграде. В 1960 г. создан Международный комитет по НК (МКНК), в 1998 г. — Европейская Федерация по НК (ЕФНК).

В настоящее время Российское общество по неразрушающему контролю и технической диагностике (РОНКТД) объединяет более сотни предприятий и тысячи специалистов по НК и Д, регулярно проводит конференции, выставки, организует вместе с Госстандартом и Госгортехнадзором сертификацию специалистов, приборов, методик и лабораторий, единых стандартов и технологий.

Наиболее важной задачей является переход на международный уровень выполнения всех научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, стандартов, технологий, оборудования, обучения и аттестации персонала с возможностью и готовностью проведения международного аудита и надзора.

С целью проведения единой политики в области НК и Д для максимального использования научно-технических достижений и разработок во всех отраслях машиностроительного и других комплексов необходимо создание межотраслевых и международных ассоциаций, которые могли бы объединить усилия различных ведомств и фирм на создание современных контрольно-диагностических систем многофункционального применения. Крайне важно организовать территориальные центры диагностики, оснащенные всем, спектром современной контрольно-диагностической аппаратуры (рентгеновскими вычислительными томографами, рентгено-телевизионными системами, тепловизорами, звуковизорами, телеэндоскопами и т. д.), которые могли бы квалифицированно разрабатывать диагностические технологии и осуществлять экспертный контроль качества сырья, промежуточных и целевых продуктов многих предприятий.

Для создания средств НК и Д новых поколений необходимо повысить эффективность координации академической, вузовской и отраслевой науки, международного сотрудничества путем создания совместных научно-технических программ и проектов, а также проведения регулярных международных выставок и конференций. Должна быть внедрена единая международная система сертификации персонала и техники НК и Д.

В комплексе действий, направленных на обеспечение надежности и долговечности тепловых двигателей, дефектоскопия имеет решающее значение, поскольку малейшая ошибка в определении характера дефекта или его пропуск, могут привести к труднопредсказуемым последствиям. Отметим особенности дефектоскопии деталей тепловых двигателей: разнообразие материалов контролируемых деталей как по своей природе, так и по свойствамсложность контролируемых деталей по форме и разнообразие по массенеобходимость контроля многослойных конструкцийво многих случаях недостаточно технологичные доступы, что может вызвать дополнительные демонтажно-монтажные работынеобходимость подвергать контролю детали, установленные в конструкции, покрытые защитными пленками, имеющими загрязненную поверхностьнеобходимость обнаруживать дефекты, возникающие в процессе эксплуатации по различным причинам — производственным, конструктивным и другим.

Повышение качества композиционных материалов, изделий и конструкций из них, является одной из актуальных проблем современной техники. Важное значение имеет эта проблема и в области переработки композиционных материалов в изделия. Известно, что качество изделий и конструкций из КМ закладываются еще на стадии получения сырья и полуфабрикатов в процессе их переработки. Поэтому правильный выбор эффективных методов технологического неразрушающего контроля качества сырья, полуфабрикатов, режимов переработки и свойств готовых изделий позволяет обеспечить высокое качество последних.

Одна из основных задач диссертационной работы — исследование эффективных методов и средств НК композиционных материалов на полимерной матрице и конструкций из КМ. Особое внимание обращено на обеспечение контроля полимерных композиционных материалов (ПКМ), из которых изготавливают наиболее ответственные крупногабаритные конструкции тепловых двигателей. Наиболее важными показателями ПКМ являются прочность, вязкость и количество связующего, нанесенного на армирующий наполнитель (волокно, ленту, ткань и т. д.).

Широкое внедрение КМ в тепловые двигатели потребовало разработки новых методов и аппаратуры НК, позволяющих осуществлять непрерывный контроль непосредственно в процессе формирования КМ и изделий из них. Наиболее пригодными для этих целей оказались радиоволновые, ультразвуковые методы и методы акустической эмиссии. Указанные методы (кроме акустической эмиссии) широко и давно применяются для целей дефектоскопии и толщинометрии.

В работе большое внимание отведено теоретическому рассмотрению и практическому применению данных методов при контроле технологических характеристик (вязкость, содержание компонентов, степень отверждения) ПКМ и полуфабрикатов, а также дефектоскопии, толщинометрии и контролю физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния КМ непосредственно в изделиях и конструкциях без их разрушения.

Большое значение для качества изделий из КМ имеют следующие технологические параметры.

1. Вязкость связующих определяет состав и качество КМ. Зная значение вязкости и изменение его от температуры и времени можно резко улучшить весовые и прочностные характеристики КМ.

2. Содержание связующего (поддержание точного и постоянного соотношения связующего и наполнителя в КМ) является важнейшим параметром при формировании КМ и изделия в целом. Содержание связующего определяет прочность, модуль упругости, герметичность, теплостойкость КМ.

3. Степень полимеризации КМ является сдаточным показателем изделий. От правильности проведения режима полимеризации КМ зависит наличие в изделии внутренних дефектов (т.е. механическая прочность).

4. Одной из серьезных проблем является возникновение трещин в КМ из-за наличия остаточных напряжений, неравномерного распределения связующего по толщине, изменения натяжения волокна в процессе изготовления изделий, усадки связующего и т. д.

5. Основным параметром, влияющим на прочность и вес изделия является толщина КМ. При наличии неравномерности ленты, препрега, жгута, ткани по ширине и толщине на изделии возникают утолщения и утонения, нахлесты.

Цели и задачи диссертационной работы:

1. Исследование общей характеристики неразрушающего контроля и методов испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов;

2. Оценка современного состояния неразрушающего контроля основных параметров технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов;

3. Разработка методов промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ качества конструкций с теплозащитными покрытиями тепловых двигателей, контроль толщин и непроклеев конструкции;

4. Разработка методов радиационного неразрушающего контроля с использованием ЭВМ конструкций тепловых двигателей, реализация принципа контроля послойного сканирования на любых двухмерных плоскостях сечений;

5. Экспериментальные исследования разработанной аппаратуры на конструкциях тепловых двигателей.

Часть I. Оценка и оптимизация методов неразрушающего контроля и испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов.

Наиболее существенными результатами диссертационной работы являются:

1. Исследованы общие характеристики НК, методы испытаний конструкций из КМ, проведена оценка современного состояния НК основных параметров технологического процесса изготовления изделий из К ^ .2. Разработан комплекс оборудования промышленного ультразвукового контроля волнами Лэмба качества конструкций тепловых двигателей с теплозащитными покрытиями, который позволяет измерять не только толщину теплозащитного покрытия, но и контролировать структуру материала и физические свойства склеенных сторон. При работе на этом оборудовании получены следующие результаты: > границы измерения толщины теплозащиты от 1 до 17 мм- > погрешность измерения толщины слоя теплозапщты не более ±0.1 мм- > площадь измерения непроклея соединяемых поверхностей более 5.

3. Разработан интегральный комплекс рентгеновской дефектоскопии ЦИ и ПРВТ с использованием ЭВМ, который позволяет провести визуальное образование ЦИ в реальном времени для конструкций тепловых двигателей. При работе этого комплекса получены следующие результаты: > разрешающая способность по ширине зазора — 5 мкм- > разрешающая способность сплошности — 0.5%- > пространственная разрешающая способность — 3 Ьр (пары линий)/мм,.

4. Разработана высокоточная система управления сканированием комплекса рентгеновской дефектоскопии ЦИ и ПРВТ с использованием ЭВМ. Статическая погрешность вращения поворотной платформы ± 3.6″, погрешность положения поворотной платформы по вертикальному направлению ±0.024 мм.5. Проведены экспериментальные исследования разработанных аппаратур на конструкциях тепловых двигателей и показаны стабильные результаты.6. Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов подтверждается: > использованием стандартных образцов и строгостью математических формулировок при измерении толщины покрытий и площади непроклея теплозащитного покрытия, а также при определении характеристик ЦИ и ПРВТ комплекса рентгеновской дефектоскопии- > Хорошей сходимостью результатов испытаний опытных образцов и реальных изделий. Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Вэй Дунбо, Разработка системы управления движением сканирования комплекса рентгеновской дефектоскопии ЦИ и ПРВТ с помощью ЭВМ. •Тем. Сб.: Материалы X Международного симпозиума «динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», Изд. МАИ, 2004 г., том 2, стр. 55−58.2. Вэй Дунбо, Логинов В. Е., Разработка комплекса рентгеновской дефектоскопии ВКЛСТ с помощью ЭВМ при применении фотоаппарата типа CCD, и исследование методов переработки цифрового изображения. Москва: международный журнал. Проблемы машиностроения и автоматизации, № 1,2004 г., стр. 108−111;

3. Ду Цзянь, Вэй Дунбо, Лу Хуннянь, «Разработка метода коррекции дефекта изображения Х-лучи». Пекин: Вестник ПАКУ, № 1, 2003 г. стр. 50−53 (на китайском языке).