Тема 13

Физические основы капиллярного контроля

1 Основные понятия

В области неразрушающего контроля промышленных объектов нашли применения методы капиллярной дефектоскопии. Этот метод может применяться как для магнитных, так и для немагнитных материалов. Капиллярная дефектоскопия основана на физическом эффекте проникновения специальных жидкостей (пенетрантов) в полости дефектов, как в капилляр, на основе капиллярного эффекта. При этом эффективно обнаруживаются поверхностные и сквозные дефекты.

При использовании капиллярного контроля возможно идентифицировать геометрические параметры дефекта, его местоположение и даже происхождение.

Преимуществами данного вида контроля являются:

– возможность диагностирования объектов с различными характеристиками, магнитных и немагнитных, электропроводящих, различных пластмасс и пр.;

– геометрия объекта может быть различной;

– отсутствие «противопоказаний» к данному методу неразрушающего контроля;

Ограничения данного метода состоят только в том, что для высокой вероятности обнаружения дефектов необходимо качественно очистить поверхность объекта от загрязнений, от засоренности несплошностей посторонними веществами, маслом, стружкой, пылью.

Кроме того, для наблюдения капиллярного эффекта глубина распространения несплошности должна превышать ширину ее раскрытия.

Таким образом, капиллярный неразрушающий контроль – вид неразрушающего контроля, основанный на проникновении веществ в полости дефектов контролируемого объекта. Дефекты и несплошности в капиллярной дефектоскопии принято рассматривать как капилляры.

Поверхностная несплошность – тупиковый капилляр, выходящий на поверхность объекта контроля только с одной стороны.

Сквозная несплошность – сквозной капилляр, соединяющий противоположные стенки объекта контроля.

В качестве дефектоскопических материалов могут применяться:

– люминофоры – материалы, имеющие свойство свечения в ультрафиолетовом диапазоне;

– красители, как правило, имеющие яркую окраску.

Различают два основных метода капиллярного контроля – метод проникающих растворов и метод фильтрующихся суспензий. В первом случае для индикации дефекта используется индикаторный раствор, во втором случае - индикаторная суспензия, частицы которой и образуют в процессе контроля индикаторный рисунок.

Индикаторный рисунок (индикация) – изображение, образованное пенетрантом в месте расположения несплошности и подобное форме ее сечения у выхода на поверхность объекта контроля.

Пример индикаторных рисунков показан на рис. 1.

Капиллярные методы в зависимости от способа выявления индикаторного рисунка подразделяют на следующие.

Для контрастного (цветного метода) используют красители, для люминесцентного – люминофоры, или их комбинации. При контроле для надежного выявления дефектов необходимо, чтобы высокими были геометрический параметр и оптический параметр. Геометрический параметр индикаторного рисунка – это отношение среднего значения ширины индикаторного следа к раскрытию выявленной несплошности. Оптический параметр индикаторного рисунка – отношение среднего значения яркости индикаторного следа к среднему значению яркости фона.

Люминесцентный контроль по сравнению с контрастным, как правило, имеет более высокий оптический параметр, так как свечение индикатора – величина постоянная, и не зависит от фона поверхности (рис. 1, б).

Иллюстрация механизма проявления дефектов при проведении капиллярного контроля приведена на рис. 3.

Основные этапы технологии капиллярного контроля представлены на рис. 3: подготовка изделия к контролю (очистка), нанесение индикаторной жидкости, удаление ее излишков, нанесение проявителя и проявление.

Наиболее ответственным этапом проведения капиллярного контроля является заполнение полостей дефектов дефектоскопическими материалами капиллярного контроля. Полости дефектов подразделяются на сквозные и тупиковые. Они существенно отличаются в динамике заполнения. Наиболее быстро заполняются сквозные капилляры.

Пенетрант – капиллярный дефектоскопический материал, обладающий способностью проникать в несплошности объекта контроля и индицировать эти несплошности. Пенетрант содержит цветные или люминесцентные добавки, которые позволяют отличать пропитанную этими веществами область с дефектом от основного фона объекта. После очистки объекта от жидкости, проявитель с помощью капиллярных сил извлекает пенетрант из дефекта.

Проявителем называют капиллярный дефектоскопический материал, предназначенный для извлечения индикаторного пенетранта из капиллярной полости несплошности с целью образования четкого индикаторного рисунка и создания контрастирующего с ним фона.

Очиститель от пенетранта – капиллярный дефектоскопический материал, предназначенный для удаления индикаторного пенетранта с поверхности объекта контроля самостоятельно или в сочетании с органическим растворителем или водой.

Фон поверхности – бездефектная поверхность объекта контроля, обработанная дефектоскопическими материалами.

Дефект – это недопустимое отклонение от требований, установленных в нормативной документации.

Раскрытие несплошности – поперечный размер несплошности у ее выхода на поверхность объекта контроля.

Глубина несплошности – размер несплошности в направлении внутрь объекта контроля от его поверхности.

Длина несплошности – продольный размер несплошности на поверхности объекта.

Чувствительность капиллярного неразрушающего контроля – качество капиллярного неразрушающего контроля, характеризуемое порогом, классом и дифференциальной чувствительностью средства контроля в отдельности, либо целесообразным их сочетанием.

Порог чувствительности капиллярного неразрушающего контроля - раскрытие несплошности типа единичной трещины определенной длины, выявляемое с заданной вероятностью по заданным геометрическому или оптическому параметрам следа.

Класс чувствительности капиллярного неразрушающего контроля – диапазон значений преимущественного раскрытия несплошности типа единичной трещины определенной длины, при заданных условиях: вероятности выявления, геометрическом или оптическом параметрах следа не хуже заданных.

2 Физические основы капиллярного контроля

Капиллярный контроль представляет собой процесс, состоящий из ряда последовательных операций (см. рис.3), эффективность капиллярного контроля определяется взаимодействием объекта контроля и дефектоскопических материалов. Рассмотрим эффект смачивания, который играет первостепенную роль при всех этапах контроля. Благодаря эффекту смачивания возможно появление капиллярного эффекта и само проведение дефектоскопии.

Смачивание – это физический эффект взаимного притяжения молекул объекта (твердого тела) и жидкости. Это явление возникает при соприкосновении жидкости и поверхности твердого тела, и может проявлять себя как растекание жидкости, пропитывание пористых тел, искривление поверхности жидкости.

На свободной поверхности любого теля формируется так называемая свободная энергия, что связано с «отсутствием» материала за этой поверхностью, т.е. внутри материала молекулы притягиваются друг к другу с обеих сторон, на поверхности с одной стороны материал отсутствует и возникает потенциал энергии. Таким образом, силы на границе раздела двух сред не уравновешены, и материал «втягивается» во внутрь, именно поэтому в свободном пространстве вода приобретает форму шара. Поверхность стремится обрести минимальную форму, то есть сократиться, и возникает сила поверхностного натяжения. Измеряется сила поверхностного натяжения как отношение силы к единице периметра элементарной площадки на поверхности жидкости, и обозначается как σ, [Н/м].

В таблице даны примеры значений поверхностного натяжения для различных материалов. С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается.

В капиллярной дефектоскопии используют жидкости с относительно низким поверхностным натяжением.

Жидкость	Поверхностное натяжение σ, 10 -2 Н/м при температуре 20 °C
Вода	7,28
Ацетон	2,37
Пентан	1,5
Спирт	> 2.28

Рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твердого тела (рис.5). На единицу длины периметра действуют три силы поверхностного натяжения, направленные по касательным к соответствующим границам раздела: твердое тело – газ σ_тг, твердое тело – жидкость σ_тж, жидкость – газ σ_жг. Как правило, именно σ_жг в справочниках имеет обозначение поверхностного натяжения σ. И σ и θ зависит от свойств материалов – жидкости и твердого тела. На рис. 5 представлены разные случаи взаимодействия жидкости и твердого тела.

Смачиваемость сильно зависит от чистоты поверхности объекта контроля. Наличие масла, жиров и иных загрязнений может сильно ухудшить эффективность контроля, поэтому перед проведением капиллярного контроля обязательна очистка поверхности от загрязнений.

Чтобы лучше понять сущность смачиваемости, рассмотрим понятия адгезия и когезия. Когезия – это понятие, характеризующее взаимодействие в жидкости или твердом теле собственных частиц, и определяется работой когезии, – необходимой работой для разрыва столбика жидкости. Адгезия характеризуется явлениями, связанными со взаимодействием двух фаз сред, то есть сред с разными характеристиками, и определяется работой адгезии – работой, необходимой для разрыва единицы площади межфазной среды. Работа адгезии сопровождается образованием двух единичных поверхностей и ликвидацией межфазной поверхности.

При проведении контроля после очистки и нанесения пенетранта эта жидкость заполняет полость капилляра благодаря смачиванию. После пропитки поверхности происходит наиболее интересный процесс – проявление, при котором применяется непосредственно физический эффект капиллярности. Проявитель имеет поры, которые называют капиллярами, с помощью которых индикаторная жидкость образует индикаторный рисунок и проявляется на поверхности.

Рассмотрим эффект капиллярности. Если в широкий сосуд с водой опустить две тонкие трубки, так называемые капилляры, то при условии смачивания этих трубок водой (рис. 5, б), жидкость в трубках поднимается выше уровня жидкости в широком сосуде. Высота подъема столбика жидкости в капилляре зависит от радиуса капилляра и смачиваемости – свойств самой жидкости. Высота подъема в капилляре вычисляется по формуле:

где R – радиус капилляра; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.

Как видно из формулы, чем больше смачивание (σ · cosθ), тем больше капиллярный подъем. Так же, чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъема жидкости (обратная пропорциональность формуле).

Проявитель, который наносится на объект после пенетранта, имеет узкие поры, и за счет эффекта капиллярности проявитель «вытягивает» цветной пенетрант из полостей дефектов. На поверхности образуется след дефекта, который может быть больше ширины раскрытия трещины. Кроме того, эффект капиллярности может проявляться при заполнении полостей дефектов цветным пенетрантом, тогда чем меньше ширина раскрытия трещины, тем глубже будет проникать в нее дефектоскопическая жидкость.

При увеличении радиуса капилляра жидкость будет подниматься меньше, критическим размером для воды (смачиваемость которой – постоянная величина), являются трубки диаметром 3,6 мм, в них подъем практически не наблюдается. В капиллярном контроле капиллярами условно считают трубки диаметром менее 3 мм. Конечно, чем меньшим радиусом будут поры в проявителе, тем эффективнее будет контроль.

И обратный эффект наблюдается, когда жидкость не смачивает капилляр, то есть угол θ > 90°, (рис. 5, в) – тогда уровень жидкости в капилляре опускается по сравнению с уровнем жидкости в сосуде.

Для случая смачивания мениск (рис.6, а) вогнутый, для случая несмачивания – выпуклый (рис.6, б). В капилляре формируется давление, равное соотношению действующих сил к площади поперечного сечения капилляра. Капиллярное давление, как и высота подъема, увеличивается с увеличением смачиваемости и уменьшением радиуса капилляра. Интересно, что если жидкость в одном капилляре привести в контакт с другим капилляром, меньшего радиуса, жидкость из первого капилляра будет перетекать во второй капилляр меньшего радиуса (рис.6, а). Это эффект используют при использовании пористого проявителя.

Еще одним важным физическим процессом является растворение. В основе растворения лежит тепловое движение молекул. При растворении молекулы одного вещества (жидкости или твердого тела) переходят в объем другого вещества. При контакте жидкости и газа, молекулы жидкости отрываются от границы раздела сред и переходят в газ, что называют испарением. Обратный же процесс – растворение молекул газа в жидкости имеет место в тупиковых капиллярах, когда пенетрант заполняет дефект. При этом, растворяясь, газ позволяет пенетранту проникнуть глубже в капилляр.

Наиболее хорошо растворяются вещества подобные, например, углеводороды в углеводородах, при этом может быть неограниченная растворимость веществ друг в друге, как пример, спирт и вода, либо может существовать предельная растворимость. Когда раствор является насыщенным, дальнейшее добавление вещества не приводит к его растворению. При повышении температуры растворение, как правило, улучшается. Для газов растворимость улучшается при повышении давления. Процесс растворения сопровождает капиллярный контроль на всех этапах.

Давление насыщенного пара

Как было сказано выше, взаимодействие сред «жидкость-жидкость» подразумевает растворение, взаимодействие же жидкости и газа порождает испарение и конденсацию. За счет тепловой энергии и кинетической скорости молекулы любого вещества движутся, в жидкости это движение относительно твердого тела «динамичное», молекулы жидкости, оказываясь во время движения на поверхности, могут преодолеть когезию и покинуть объем жидкости, перейдя в газ. В то же время протекает параллельный процесс. Молекулы жидкости, находящиеся в газе и двигаясь в нем, снова попадают на границу сред и возвращаются в жидкость. Такая система может работать в трех состояниях – жидкость испаряется, это значит, что большее число молекул покидает жидкость, и уже не возвращается, или жидкость «оседает», т.е. конденсируется, это значит, что большее число молекул в системе прибывает в жидкость, чем покидает ее. Существует еще такое равновесное состояние, при котором одинаковое число молекул и покидает жидкость, и возвращается в нее, устанавливается равновесие между паром и жидкостью. Пар в это случае называется насыщенным.

Для одной пары веществ, при неизменной температуре, определенная величина давления формирует это равновесное состояние, это давление насыщенного пара, и оно является постоянной величиной.

Ранее мы рассмотрели понятие капиллярного давления, оно увеличивается при увеличении смачиваемости (свойство взаимодействующих веществ) и уменьшении радиуса капилляра. Как мы уже поняли, капиллярный контроль основан на пропитке пенетрантом объекта контроля с дефектами.

При малых величинах раскрытия дефектов, что характерно, например, для трещин, трещины являются капиллярами, впитывающими пенетрант. Моментально пропитка произойти не может, для проявления капиллярного эффекта необходимо время, чтобы жидкость успела занять полость дефекта.

Процесс пропитки замедляется при заполнении индикатором тупиковых дефектов и возрастании давления в его устье. Может возникнуть благоприятная ситуация, когда заполнение может начаться с одной стороны, вытеснить воздух, и полностью заполнить капилляр.

При проведении контроля время выдержки пенетранта на объекте составляет, как правило, около 20 минут.

Наиболее неблагоприятно, когда капилляр тупиковый и заполнению мешает сжатый в устье воздух. При этом пенетрант может вытеснить воздух перемещаясь с одной стороны, например, либо может происходить частичное растворение воздуха за счет диффузии.

Диффузия – это процесс выравнивания концентрации входящих в систему веществ, так же в силу их теплового (кинетического) движения. Если растворение представляет собой процесс проникновения одного вещества в другое, то диффузия – это распространение уже проникшего одного вещества в другом. Первый случай диффузии в капиллярном контроле мы рассмотрели. Также диффузия возникает при применении проявителя.

После нанесения, выдержки и пропитки, и удаления излишков пенетранта с поверхности, пенетрант, оставшийся в дефектах, вступает во взаимодействие с жидкой фазой проявителя. После испарения жидкой фазы проявителя пенетрант проникает в тонкий слой капилляров проявителя, образующийся на поверхности объекта контроля.

Проявители предназначены активно «впитывать» оставшийся в дефектах пенетрант. Высокодисперсные порошковые проявители, используемые в капиллярном контроле, являются весьма активными сорбентами пенетранта.

Сорбционные явления – это физико-химические процессы, в результате которых происходит поглощение каким-либо веществом газа, пара или растворенного вещества из окружающей среды. В качестве отрицательного влияния адсорбции выделяют удержание на поверхности контролируемых изделий и дефектов жиров, масел и других загрязнителей.

При капиллярном контроле кроме растворов используются суспензии. Суспензию получают в результате диспергирования. Диспергирование – тонкое измельчение вещества в какой-либо другой среде. Приготавливают суспензию механическим размельчением и размешиванием. Суспензии менее устойчивые смеси, чем растворы, частицы оседают, всплывают, фазы разделяются. В магнитном контроле используются магнитные частицы, в капиллярном контроле – цветные или люминесцентные частицы. Этот метод капиллярного контроля так и называется – метод фильтрующихся суспензий.

Если используются две жидкости, процесс дробления одной жидкости в другой называется эмульгированием. Классический пример эмульсии – молоко. Эмульгирование играет важную роль при очистке, удалении излишков пенетранта, приготовлении пенетрантов, очистителей. При очистке для улучшения качеств очистки применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ), способные накапливаться на поверхности раздела двух сред, снижая ее свободную энергию. Наиболее часто применяются водорастворимые ПАВ. При смывании масла водой с ПАВ вначале ПАВ оседает на масляной пленке, внедряется в слой масла, образует эмульсию, которая более свободно смывается водой.

Люминесценция – это эффект свечения некоторых веществ, называемых люминофорами, под действием определённого вида излучений, например, под действием ультрафиолетового освещения. Данный эффект используется для улучшения выявляемости дефектов при визуальном осмотре объектов после проявления, при этом увеличивается контрастность фона и вещества пенетранта. Для этого люминофор либо растворяют в основном веществе пенетранта, либо само вещество является люминофором.

Для люминесцентно-цветного метода используют комбинацию люминофора и цветного пенетранта.