Неразрушающие методы испытаний

В настоящее время неразрушающие методы широко используются для контроля и обеспечения качественного технологического процесса в целом ряде отраслей народного хозяйства: металлургии, машиностроении, химической промышленности и т.п. В сочетании с быстродействующими вычислительными устройствами применение неразрушающих методов дает возможность перейти к полной автоматизации производства с обеспечени­ем необходимого соблюдения качества продукции.

В строительном деле неразрушающие методы применяются глав­ным образом для контроля сварных металлоконструкций, при изготовлении железобетонных деталей и элементов и т. д. Неразрушающие методы кон­троля применяются и при освидетельствовании сооружений. Они являются весьма перспективными для контроля на поточных линиях на заводах строительных конструкций (в первую очередь железобетонных) не только для выявления уже допущенных дефектов и отступления от требований ТУ, но и прежде всего, для предупреждения самой возможности таких нару­шений.

По физическим принципам неразрушающих исследований раз­личают следующие основные методы:

1) при помощи проникающих сред (жидких, газообразных и др.)

2) механические методы испытаний;

3) акустические (ультразвуковые и более низких частот);

4) магнитные, электромагнитные и электрические;

5) при помощи ионизирующих излучений (рентгеновские, радиоизотопные);

6) радиодефектоскопия и инфракрасная дефектоскопия.

Методы проникающих сред

В резервуарах, газгольдерах, трубопроводах и других аналогичных конструкциях, требующих обеспечения не только прочности, но и плотности соединений, контроль осуществляют с помощью проникающих сред. Кроме применявшихся ранее испытаний водой и керосином, в настоящее время разработаны и другие приемы.

Испытания водой. Проверяемые емкости заполняются водой до отметки обычно несколько выше эксплуатационной. В закрытых сосудах давление жидкости повышается дополнительным нагнетанием воды или воздуха.

Гидростатическим давлением проверяются как плотность, так и прочность соединений и всего сооружения в целом. Контроль швов и соединений заливкой воды совмещается, таким образом, со статическим испытанием исследуемой емкости.

Отдельные швы металлоконструкций могут проверяться сильной струей воды из брандспойта, направленной под давлением примерно 1 атм нормально к поверхности шва. При наличии дефектов вода просачивается сквозь неплотности проверяемого соединения.

Проба керосином. Благодаря своей малой вязкости и незначитель­ному, но сравнению с водой, поверхностному натяжению керосин легко проникает через самые малые поры и выступает на противоположной по­верхности. При опробовании поверхность шва с одной стороны обильно смачивается или опрыскивается керосином. Для облегчения наблюдений шов заранее подбеливается водным раствором мела. На этом подсохшем светлом фоне отчетливо выявляются затем ржавые пятна и полосы, возни­кающие при просачивании керосина.

Проба сжатым воздухом. При наиболее простом применении дан­ного метода проверяемые швы обмазываются мыльной водой. С другой стороны шов обдувается сжатым воздухом, подаваемым из шланга под давлением порядка 4 атм нормально к исследуемому шву. В замкнутые емкости сжатый воздух подается внутрь их объема. Признаком дефектно­сти шва служит появление мыльных пузырей на обмазке.

Более совершенным является применение ультразвуковых «течеискателей», принцип работы которых основан на регистрации ультразвуко­вых колебаний, возникающих в местах нарушения сплошности, под дейст­вием вытекающей здесь под давлением струн газа (воздуха). С помощью течеискателей можно выявлять неплотности размером до 0,1мм при избы­точном давлении порядка 0,4 атм. Место нахождения дефекта определяется с точностью до 1,5…2см.

Проба вакуумом. Проверка вакуумом требует доступа к конст­рукции лишь с одной ее стороны, что является существенным преимуществом данного метода.

К шву приставляется металлическая кассета в виде плоской короб­ки без дна с прозрачным верхом, через который виден проверяемый шов. Вакуум-насосом со шлангом, присоединенным к кассете, в которой созда­ется небольшое разрежение, внешним воздушным давлением стенки кассе­ты, снабженные по их нижнему периметру мягкой резиновой прокладкой. прижимаются при этом к конструкции. Исследуемый шов предварительно должен быть смочен мыльным раствором. В местах нарушений плотности шва воздух, проникая сквозь эти неплотности, образует в мыльной пене отчетливо видные стойкие пузыри.

При сварке сосудов высокого давления и других особо ответствен­ных, требующих полной герметичности, конструкций для увеличения на­дежности контроля применяется проверка плотности соединений химиче­скими реагентами, например, воздушно-аммиачной смесью или другими газообразными соединениями, обладающими высокой проникающей способностью. Химические методы проверки плотности соединений обладают большой чувствительностью и дают возможность очень четко определять места нахождения дефектов, чем и обусловливается в наиболее серьезных случаях целесообразность применения этих более сложных приемов.

Механические методы испытаний

Рассматриваемые методы привнесены в область строительства из металловедения. Как известно, при испытаниях металла широко применяются так называемые «пробы на твердость». К ним относятся испытания путем вдавливания в поверхность металла стального шарика или алмаза (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и т.д.), измерения по упругому отскоку падающего шарика (испытания по Шору) и др.

Благодаря своей простоте, удобству и возможности быстрой про­верки состояния материала в целом ряде точек на поверхности конструк­ций эти косвенные методы нашли применение и при освидетельствовании сооружений. Полученные при этом данные переводятся в прочностные ха­рактеристики исследуемого материала по эмпирическим формулам или с применением соответствующих графиков и таблиц.

Следует при этом иметь в виду, что само понятие «твердость» не является столь же определенным физическим критерием сопротивления материала силовым воздействиям как прочность, деформативность. В зависимости от вида испытания на твердость выявляются различные фак­торы: в методе отскока (по Шору) - способность к упругой работе при на­личии поглощения части энергии деформирования; при вдавливании шари­ка по Бринеллю - пластические свойства на уровне предела текучести; при вдавливании алмаза - сопротивление значительному деформированию (на уровне предела прочности).

Оценка прочности металла

Наибольшее применение в строительной практике для оценки прочности металла имеет прибор Польди (рис.1) ударного действия.

Наконечником прибора является шарик 2 диаметром 10 мм из твердой закаленной стали, дающий при ударе отпечаток одновременно на исследуемом металле 1 и на стальном эталонном бруске 3, твердость кото­рого HB^эт должна быть заранее определена. Для получения отпечатков ударяют молотком по верхнему торцу стержня 4.

Твердость НВ исследуемого металла испытываемой конструкции определится из соотношения

НВ= HB^эт∙

где D - диаметр стального шарика 2 (рис.2);

d - диаметр отпечатка на поверхности исследуемого материала;

d_эт - то же. на эталонном бруске.

Рис. 1. Схема прибора Польди:

1 - исследуемый материал;

2-стальной шарик;

3- эталонный брусок;

4- ударный стержень;

5- обойма прибор

Рис.2. Отпечатки, получаемые с помощью прибора Польди:

1 - исследуемый материал;

2-стальной шарик;

3 — эталонный брусок

Нахождение НВ и определение прочности и марки металла произ­водятся с помощью соответствующих таблиц. Для термически обработан­ных легированных сталей вводится поправочный коэффициент.

С помощью прибора Польди можно получать, однако, лишь ориен­тировочные характеристики. Но и с учетом этого применение прибора практически полезно, в особенности в следующих случаях:

• для ускоренной проверки однородности материала в различных элементах освидетельствуемых конструкций;
• при отбраковке (проверке марок металла) поступающих заготовок.

Оценка прочности бетона

При косвенной оценке прочности бетона по твердостным характе­ристикам его поверхностного слоя приходится учитывать следующие факторы, усложняющие эту оценку:

1) большой разброс результатов испытаний на «твердость», обу­словленный неоднородностью структуры бетона. Для получения надежных данных необходимо увеличить число проверяемых на поверхности точек и статистически обработать результаты испытаний;

2) возможная карбонизация поверхностного слоя, повышающая показатели твердости, а также увлажнение поверхности, снижающее эти показатели;

3) возможность расхождения прочностных характеристик на по­верхности и в глубине массивных блоков. Это может быть проверено, на­пример, контрольным бурением с выемкой образцов с разной глубины, а также применением рассматриваемых далее неразрушающих способов.

Необходимость в простых, доступных для массового применения способов оценки качества бетона настолько настоятельна, что, несмотря на указанные затруднения, для суждения о прочности бетона по механическим характеристикам его поверхностного слоя предложен целый ряд приборов и приспособлений. Краткий обзор практически наиболее оправдавших себя и методически интересных приемов приводится ниже.

Оценка прочности бетона с помощью молотка КМ.Кашкарова.

Эталонный молоток К.П. Кашкарова схематически показан на рис. 3. Принцип его действия аналогичен рассмотренному выше прибору Польди с той разницей, что удар наносится взмахом самого эталонного молотка.

Рис. 3. Схема молотка К. П. Кашкарова:

1 - головка; 2 - рукоятка; 3 - эталонный стержень; 4 - стальной шарик; 5 - стакан; 6 - торец стержня 3; 7 - испытуемый материал; 8 - пружина

При ударе боек (стальной шарик диаметром S мм) оставляет на поверхности исследуемого бетона вмятину диаметром d_б, а на эталонном стержне (круглого сечения из Ст. 3 диаметром 10 мм) - отпечаток диамет­ром d_эт. Для десяти ударов, нанесенных по проверяемому элементу с уда ленными штукатурными и окрасочными слоями, определяется усредненное отношение d_б/d_эт; прочность бетона оценивается по корреляционной зави­симости между d_б/d_эт и пределом прочности бетона на сжатие, устанавли­ваемой экспериментально. При этом должны учитываться конкретные ус­ловия изготовления конструкции и твердения бетона, сроки испытаний, ше­роховатость, влажность и другие особенности состояния поверхности кон­струкции. Для эксплуатируемых сооружений указанная зависимость долж­ка быть уточнена на образцах, выбуренных из соответствующих элементов.

Эталонный молоток рекомендуется для разных операций: оценок отпускной прочности бетонных изделий на заводах железобетонных конст­рукций, прочности бетона при передаче напряжения от арматуры на бетон в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, коэффици­ента изменчивости прочности бетона в изделиях и конструкциях (что осо­бенно существенно при освидетельствованиях сооружений) и т. д.

Одним из наиболее простых приспособлений для сравнительной оценки прочности бетона является молоток И. Л. Физделя. Ударная часть этого стального молотка весом 250 г заканчивается шариком из твердой стали, легко вращающимся в гнезде. По диаметру отпечатков, полученных при ударе, определяют прочность бетона по эмпирическому графику. Ре­зультаты, несмотря на их ориентировочность, все же полезны в производственных условиях. Пользование молотком при некотором навыке не вы­зывает затруднений.

Оценка прочности бетона склерометром. Приборы этого типа применяются главным образом за рубежом. Из их числа наиболее известен прибор Шмидта (Швейцария).

В этих приборах, так же как в ударнике Шора для металла, о ха­рактеристиках материала судят по величине отскока стального бойка. От­скок фиксируется указателем на шкале. Удар наносится не непосредствен­но по исследуемой поверхности бетона, а воспринимается наконечником прибора, прижатого к конструкции. Этот промежуточный стальной элемент необходим, поскольку величина отскока при резкой разнице модулей упру­гости соударяемых материалов становится трудносопоставимой. Удар осуществляется спуском пружины, а не свободным падением бойка, как у Шора, что позволяет испытывать любым образом ориентированные по­верхности. Прибор удобен в работе и дает довольно четкие результаты.

Оценка прочности древесины

 

Метод ударных отпечатков (А. Х.Шевцов). О прочности древе­сины сулят по диаметру отпечатка (вмятины), появляющегося на гладко оструганной поверхности исследуемого элемента при падении стального шарика диаметром 25 мм с высоты 50 см со специальной подставки. Для проб на вертикальных и наклонных гранях применяется спуск горизон­тально оттянутого шарика (рис.4). скрепленного с нитью длиной 50 см.

Диаметры отпечатка фиксируются с помощью белой и копи­ровальной бумаг, помещенных на исследуемую поверхность в месте удара. Для перехода от диаметра отпечатка к прочности материала пользуются экспериментальными кривыми, построенными для разных сортов древе­сины. Для учета влияния влажности вводится поправочный коэффициент.

Рис.4. Испытание ударом шарика по вер­тикальной поверхности деревянного эле­мента:

1- испытуемый элемент;

2- натянутая нить;

3- стальной шарик;

4- положение того же шарика в момент удара

Акустические методы

Акустические методы основаны на возбуждении упругих механи­ческих колебаний. По параметрам этих колебаний и условиям их распро­странения судят о физико-механических характеристиках и состоянии ис­следуемого материала.

В зависимости от частоты колебаний акустические методы делятся на ультразвуковые (при частотах от 20 тыс. Гц и выше) и методы, основанные на использовании колебаний звуковой (до 20 тыс. Гц) и инфразвуковой (до 20 Гц) частот.

 

Ультразвуковые методы

Побуждение и прием колебаний. Для возбуждения ультразвуко­вых волн на поверхности исследуемого материала устанавливают преобра­зователи переменного электрического тока, создающие колебания. Чаше всего применяются преобразователи, действующие по принципу пъезоэффекта. При этом для возбуждения колебаний используется так называемый «обратный», а в преобразователях для приема колебаний - «прямой» пьезоэффекты.

Поскольку воздушные прослойки препятствуют передаче и приему ультразвуковых колебаний, между преобразователями и исследуемым ма­териалом наносят контактирующую среду. Для металла применяют обыч­но минеральное масло, для бетона и других материалов с неровной поверх­ностью необходимы смазки более густой консистенции - солидол, техни­ческий вазелин, эпоксидные смолы и t.д.

Условия прохождения ультразвуковых волн. Ультразвуковые коле­бания могут быть введены в исследуемую среду узким направленным пуч­ком - «лучом» с малым углом расхождения. Колебания частиц происходят при этом лишь в локализованном объеме материала, ограниченном конту­рами пучка, а исследуемый же элемент в целом остается неподвижным. Эта возможность прозвучивания материала в заданных направлениях является весьма существенной при проведении исследований.

Ультразвуковые волны, переходя из одной среды в другую, пре­ломляются, а также отражаются от граней, разделяющих эти среды, что используется для определения их распространения при данном методе кон­троля. В воздушных прослойках ультразвуковые колебания затухают почти полностью, что позволяет выявлять и исследовать скрытые внутренние де­фекты: трещины, расслоения, пустоты и т.д.

Различают продольные и поперечные полны. В первом случае час­тицы материала колеблются по направлению ультразвукового луча, а во втором - перпендикулярно к нему. Используют также поверхностные вол­ны, как продольные, так и поперечные, распространяющиеся лишь в по­верхностном слое материала и позволяющие, например в металле, обнару­живать самые мелкие поверхностные повреждения. Скорость распростра­нения волн (своя для каждого из указанных видов материалов) является одним из основных показателей при оценке физико-механических характе­ристик и состояний бетона, древесины и других материалов с переменными плотностью и влажностью.

Способы прозвучивания. По направлению ультразвуковых волн различают два основных приема прозвучивания.

Сквозное - когда излучатель, возбуждающий колебания, и при­емник, воспринимающий их, расположены с противоположных сторон ис­следуемого объекта (рис.1а, б). Направление ультразвукового луча по отношению к поверхности материала может при этом быть как нормаль­ным, так и наклонным, а также с использованием отражения или «эхо-метода», когда излучатель и приемник располагаются на одной и той же стороне (рис. 1в), что особенно существенно при возможности лишь од­ностороннего доступа к объекту. Кроме того, эхо-метод удобен при ис­пользовании не двух, а одного приемо-передающего преобразователя, ко­торый последовательно посылает упругие волны и сам же принимает их отражения.

а

б

в

Рис.1. Способы прозвучивания:

а - сквозное прозвучивание нормально в поверхности элемента;

б - диагональное прозвучивание; в - эхо-метод;

1 - прозвучиваемый элемент; 2 - излучающая пьезоэлектрическая пластинка; 3 - пьезопластинка, воспринимающая колебания; 4 - призма из оргстекла; 5 - направление прозвучивания; 6 - выявляемый дефект, 7 - теневая зона

По характеру излучения необходимо различать:

1)метод непрерывного излучения с подачей к излучателю колеба­ний переменного тока постоянной частоты; по такому принципу были раз­работаны первые дефектоскопы (С.Я. Соколов, 1928г.) для выявления де­фектов в материале по направлению звуковой тени (рис. 1в);

2)импульсный метод, получивший сейчас самое широкое приме­нение как наиболее эффективный при исследованиях бетона, при дефекто­скопии сварных швов металлоконструкций и др. В этом случае к преобра­зователю через определенные достаточно малые промежутки времени, на­пример, 25 или 50 раз в 1 сек. подаются короткие серии («пакеты») колеба­ний высокой частоты.

Регистрация ультразвуковых колебании производится с помощью специальной аппаратуры. Наиболее распространенной является передача электрических колебаний от приемного преобразователя через усилитель на экран электроннолучевой трубки катодного осциллографа. С большой точностью при этом могут быть определены скорость прохождения ультра­звуковых колебаний через исследуемый материал, интенсивность их зату­хания, а также другие показатели, используемые при оценке результатов измерений.

Область применения ультразвуковых методов

Определение динамического модули упругости. Скорость распро­странения упругих колебаний связана с динамическим модулем упруго­сти Е_дин и плотностью проверяемого материала соотношением

справедливым для случая продольных колебаний в стержне (одномерная задача).

Определив экспериментально скорость распространения волны ко­лебаний в элементе, длина которого велика по сравнению с его поперечны­ми размерами, находим. E_дин=v², если плотность материала известна.

В массивных и плитных конструкциях, т. е. для случаев трехмер­ной (пространственной) н двухмерной задач, а также для поперечных коле­баний зависимость между E_дин и v определяется более сложными соотно­шениями, в которые кроме входит также коэффициент Пуассона μ рассматриваемого материала.

Для одновременного нахождения всех трех параметров (Е_дин, и μ) необходимо сопоставление по крайней мере трех экспериментов по опре­делению v, произведенных в разных условиях с применением продольных и поперечных колебаний и в конструкциях разной размерности - простран­ственных, плитных и стержневых.

Определение толщины элемента при одностороннем доступе.

Рис. 2. Схема измерения толщины резонансным методом; 1 - исследуемая деталь; 2 - пьезоэлемент; 3 - совпадающие амплитуды прямой и обратной «стоячей» волны; h - толщина детали

В серийно выпускаемых для этой цепи толщиномерах используется непре­рывное излучение продольных ультразвуковых волн регулируемой часто­ты. На рис. 2 показан график распространения колебаний (условно на­правленных не вдоль, а поперек направления луча) по толщине стенки. Дойдя до противоположной ее грани, волна отражается и идет в обратном направлении. Если проверяемый размер h точно равен длине полуволны (или кратен этой величине), а противоположная грань соприкасается с ме­нее плотной средой, то прямые и отраженные волны совпадают. Амплиту­ды колебании самой пьезопластинки при этом резко возрастают (явление резонанса), что сопровождается соответствующим увеличением разности потенциалов на ее поверхностях.

Замерив соответствующую резонансную частоту f и зная скорость распространения волн по длине 2h (суммарный ход прямого и отраженного лучей), находим проверяемую толщину по формуле:

Для стали скорость продольных ультразвуковых волн практически постоянна (=5,7∙10⁵ см/сек), что даст возможность, меняя частоту в преде­лах от 20 до 100 тыс. гц надежно измерять толщину стенок от долей мил­лиметра до нескольких сантиметров.

Определение глубины трещин в бетоне. Излучающий и прием­ный преобразователи А и В располагаются симметрично относительно кра­ев трещины на расстоянии а друг от друга (рис.3). Колебания, возбуж­денные в точке А. попадут в точку В по кратчайшему пути:

АСВ =,

где а - глубина трещины.

При скорости на это потребуется время

 

,

определяемое экспериментально.

Глубину трещины находим из соотношения

,

где скорость определяется обычно на неповрежденных участках поверх­ности.

По указанному методу могут бить исследованы трещины глубиной до нескольких метров.

Рис. 3. Определение глубины поверхностной трещины в бетоне:

1 -бетонный массив; 2 - трещина;

А - изучающий и В - приемный преобразователи

Следует, однако, иметь в виду следующее

1) значения v на поверхности и в глубине массива могут несколько отличаться;

2) длина пути АСВ немного возрастет в случае невертикальности трещины и, наоборот, может существенно уменьшиться при наличии в тре­щине воды, являющейся хорошим проводником ультразвуковых волн.

В ответственных случаях возможно получить данные для глубоких трещин. Отметим также другие практически наиболее важные области применения ультразвуковых методов.

В бетонных и железобетонных конструкциях производится:

- определение прочности бетона по корреляционным зависимо­стям между скоростью распространения ультразвуковых волн и прочно­стью бетона на сжатие, устанавливаемым путем параллельных ультразву­ковых и прочностных испытаний образцов бетона заданного состава и режима изготовления (при контроле вновь изготовляемых конструкций и де­талей) или образцов, извлеченных из возведенных сооружений. В случае невозможности отбора образцов из уже эксплуатируемых конструкций ориентировочное определение прочности бетона возможно по тарировочной зависимости;

- контроль однородности бетона в сооружениях;

выявление и исследование дефектов в бетоне сквозным прозвучиванием (возможным и при значительных толщинах бетона - до 10м и более) и путем измерений на поверхности конструкций. О наличии и харак­тере дефектов и повреждений судят при этом по изменениям скорости прохождения ультразвуковых волн в пределах отдельных участков поверхно­сти (так называемый метод годографа, т. е. графика скоростей);

- определение толщины верхнего ослабленного слоя бетона, распо­ложения слоев разной плотности и т.п.

Наличие арматуры в железобетонных конструкциях не мешает применению ультразвуковых методов, если направление прозвучивания не пересекает арматурные стержни и не совпадает с ними.

В металлических конструкциях:

- импульсная дефектоскопия швов сварных соединений в стальных и алюминиевых конструкциях;

- дефектоскопия основного материала;

- толщинометрия (определение толщин защитных металлических покрытий; выявление ослабления сечений коррозией).

В деревянных конструкциях и конструкциях с применением пластмасс:

- проверка физико-механических характеристик.

- проверка качества и дефектоскопия основного материала;

- дефектоскопия клеевых соединений и стыков.

Импульсные звуковые методы

Метод «ударной волны». Он основан на изменении скорости рас­пространения единичных импульсов, возбуждаемых ударом легкого молот­ка или специальными приспособлениями, например электрического дейст­вия, для нанесения небольших ударов заданной силы. Для приема и регист­рации сигналов может быть использована та же аппаратура, что и при ультразвуковом импульсном методе.

Этот метод используется для контроля асфальтового и цементного бетонов в дорожных и аэродромных покрытиях и может быть применен также для испытания длинномерных (до 30 м) бетонных и железобетонных элементов.

Вибрационный метод. Данный метод основан на использовании колебаний звуковой частоты и применяется при испытаниях образцов бе­тона (рис. 4).

Рассматриваемый метод полезен при сооружении дорожных и аэ­родромных покрытий для получения быстрой и надежной информации о ходе технологического процесса и может также быть положен в основу автоматического управления.

При этом о характеристиках материала судят по частотам, соответ­ствующим резкому увеличению измеряемых амплитуд при наступлении явления резонанса (откуда и другое наименование метода - «резонанс­ный»).

а

б

в

Рис.4. Испытание образцов бетона резонансным методом:

а - возбуждение продольных: б и в - изгибных колебаний;

1 - испытуемый образец; 2 - пьезопреобразователи

Метод «бегущей волны». При этом оригинальном методе к реги­стрирующему прибору, помимо сигналов, воспринимаемых приемным пре­образователем, подводятся также сигналы генератора, возбуждающего не­прерывные колебания. В результате сложения этих сигналов на экране электронно-лучевой трубки появляются характерные изображения фигур Лиссажу. Меняя частоту в пределах ультразвукового и звукового диапазо­нов, а также положение и тип приемных преобразователей, можно наблю­дать изображения, соответствующие продольным, поперечным и поверхно­стным волнам и по ним оценивать характеристики материала на разной глубине его нахождения.