Неразрушающий контроль и диагностика

Зарождение неразрушающего контроля обычно относят ко времени открытия в ноябре 1895 г. рентгеновских лучей, которые позволили обнаружить металлический предмет в закрытой деревянной коробке. Большая роль в развитии методов неразрушающего контроля принадлежит Р.И.Янусу, Л.Г.Мерку­лову, С.Т.Назарову, А.С.Фалькевичу, Н.С. Акулову, М.Н. Михееву, С.В. Румянцеву, И.Н. Ермолову, В.Г. Герасимову, Ф.Ферстеру, Р.Мак-Мастеру, Н.Крауткремеру, Х.Бергеру, Р.Шарпу и многим другим. Метод ультразвуковой дефектоскопии впервые был предложен в 1928 г. проф.С.Я.Соколовым. В 1952 г. С.Маховером и Ю.Усенко был предложен магнитографический метод.

В справочнике учтено развитие и совершенствование технических методов и средств неразрушающего контроля за последние 10 лет.

Появление современных крупномасштабных объектов — атомных электростанций, терминалов со сжиженным газом, морских буровых установок, больших химических комбинатов, крупных авиалайнеров — привело наряду с экономическими выгодами к большим негативным последствиям в случае выхода их из строя. Человечество не может отказаться от таких сооружений, но оно может предотвратить катастрофы или уменьшить их последствия путем эффективного использования методов и средств неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД), далее сокращенно ТД.

Известно, что развитые страны ежегодно теряют 10% своего национального дохода из-за низкого качества выпускаемой продукции. Во всем мире ежегодно увеличивается число крупных аварий и катастроф. Потери только от дефектов усталости металла в США составляют более 100 млрд. дол. в год, а от коррозии — более 200 млрд. дол. в год. Убытки от низкого качества материалов и изделий в нашей стране значительно выше, а если учесть, что часть промышленной продукции не внедряется в производство, сравнительно быстро выходит из строя по различным техническим и организационным причинам, принять во внимание колоссальные объемы ремонта, нарушение экологии, то потери материального и морального порядка еще более возрастают, требуют тщательного учета, анализа и принятия кардинальных решений.

Все усложняющиеся задачи по повышению качества промышленной продукции, надежности объектов требуют дальнейшего совершенствования методов и средств неразрушающего контроля и ТД. Применение классических методов, да еще по отдельности, уже неэффективно. Ряд новых задач не поддается решению стандартными методами неразрушающего контроля. Появились весьма сложные матричные системы детектирования физических полей в пространстве, различные комбинации методов, в обработку пошли группы физических параметров.

Любое повышение безопасности достигается за счет необходимого дополнительного увеличения расходов. Возникает проблема определения оптимального уровня расходов, при котором технология и производство остаются рентабельными. Применение систем неразрушающего контроля и ТД удорожает продукцию при выпуске и эксплуатации, однако их использование на всех стадиях изготовления, поверки и эксплуатации существенно повышает надежность изделий и объектов, обеспечивая в конце концов громадный в масштабе страны экономический выигрыш. К основным особенностям современных систем неразрушающего контроля относятся значительное увеличение числа проверяемых параметров (многофункциональность) и повышение производительности контрольных операций.

Ввиду необходимости получения огромных массивов информации при контроле многих изделий все шире внедряются автоматизированные и роботизированные системы неразрушающего контроля и ТД. Особенно перспективны контрольно-диагностические автоматы там, где человеку неудобно или опасно находиться, например, при контроле очень больших поверхностей, в условиях высокой радиации, повышенных температур, агрессивных сред, космоса и т.д.

Точность работы таких систем зависит от чувствительности и разрешающей способности входящих в них измерительных каналов и преобразователей информации. Работа многих приборов основана на проведении относительных измерений: их погрешности зависят от воспроизводимости показаний и точности эталонов физических величин, используемых при градуировке и калибровке измерительных схем. Автоматизация градуировки и калибровки измерительных схем вместе со встроенной автодиагностикой получает все более широкое распространение в системах неразрушающего контроля и ТД.

Следует отметить, что при работе ряда систем неразрушающего контроля и ТД с высокой степенью автоматизации функции оператора являются, с одной стороны, сложными, а с другой, во многом определяющими результат. До сих пор за оператором остается основная роль в расшифровке радиационных изображений, принятии решений при возникновении нестандартных ситуаций, оценке явлений, обусловленных несколькими слабо коррели­рованными причинами.

Естественно, что достаточно полную объективную информацию о контролируемом объекте нельзя получить, регистрируя только эффекты взаимодействия с объектом контроля физического поля одной природы (частоты). Например, использование рентгеновского излучения при контроле не гарантирует выявления трещин, несплавлений и т.п. Только комбинированные, разные по принципу взаимодействия с веществом методы контроля, такие как радиационно­оптический, элекгромагнитоакустический, магнитно-оптический и др., могут исключить недостатки исследования, взаимно дополнить друг друга и обеспечить получение достаточной информации о качестве промышленной продукции. В этом направлении должна решаться задача совместимости инфор­мации, полученной разными методами.

Необходима количественная обработка данных используемых методов неразрушающего контроля, выработка оптимальных алгоритмов интегральной количественной оценки качества изделия.

Существуют четыре важных направления развития неразрушающего контроля и ТД.

1. ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ И ТД.

В основе решения диагностических задач лежит, прежде всего, оптимальный выбор физического явления, дающего наиболее объективную информацию о параметре диагнос­тирования. Важнейшей проблемой становится не фиксация дефекта как уже возникающего отклонения от нормируемого параметра, а исследование и регистрация физических и других эффектов, предшествующих времени перехода материала или изделия в "дефектное" состояние. Акустическая эмиссия, механоэмиссия, возникающее при деформациях диэлектриков и металлов электромагнитное излучение в диапазоне от радиоволнового до жесткого рентгеновского излучения, включая весь промежуточный диапазон видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучений, демонстрируют далеко не использованные физические возможности создания нового уровня интеллектуальных средств неразрушающего контроля и ТД.

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.

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 неразрушающего контроля и ТД связана с их интенсивной компьютеризацией, широким использованием встроенных персональных и мини-ЭВМ, разработкой большого ряда алгоритмов тестового и функционального диагнос­тирования. Стали нормой перевод диагностической информации в двух- и трехмерное изображение с последующей обработкой в реальном масштабе времени, амплитудофазочастотная обработка многомерного сигнала, реконструктивная томография, томосинтез и т.д. Это потребовало введения в аппаратуру множества специальных процессоров.

Переход на экспертные диагностические системы, многомашинные испытательные комплексы для крупных промышленных объектов — актуальнейшая проблема научно-технического прогресса (НТП).

2. РАЗРАБОТКА ЕДИНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ 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.

Диагностирование объектов даже с приближенной точностью не может быть выполнено без исследования основных воздействующих факторов.

Чем более крупное по масштабам событие ожидается, тем более комплексной должна быть физическая диагностика с полным набором различных по сути и принципам взаимо­действия используемых полей и излучений. Нельзя ограничивать виброакустической диагностикой прогнозирование земле­трясений. Изменение электромагнитных излучений, связанных с накоплением энергии Земли, исследование распределения теплового поля, уровня воды, газового анализа и многие другие сопутствующие (предшествующие) явления и геофизические поля должны быть изучены, зарегистрированы и сориентированы на принятие важнейшего заключения о достоверности появляющейся аномалии окружающей среды. Постоянный или периодический выездной мониторинг территории с помощью стационарных и передвижных диагностических станций, лабораторий, спутников, аэрофотосъемки и т.д. должен накапливать статистический многофункциональный материал, после математической обработки которого можно принимать окончательные организационные решения по обеспечению безопасности людей и сооружений.

Диагностика экологической обстановки территории должна стать неотъемлемой частью жизни и развития всех предприятий региона. Необходима прямая системная ее связь с диагностикой оборудования и всех рабочих мест внутри предприятия. Очень важно признать, что многие измерительные каналы, алгоритмы диагностирования, методы и устройства преобразования информации, используемые физические эффекты и технические средства идентичны при диагностировании предприятия и окружающей среды. Они должны быть унифицированы и системно спроектированы для решения общей задачи обеспечения безопасности людей и работоспособности всех объектов производственного процесса.

В то же время наглядно прослеживается развитие диагностических систем и устройств для исследования микрообъектов в связи с бурным развитием микроэлектроники, биотехнологии 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 неразрушающего контроля.

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ.

Технические неразрушающего контроля и ТД включают в себя аппаратурную часть, программное обеспечение и эксплуата­ционно-техническую документацию. К сожалению, разработкам необходимой технологической документации, методикам, исследованию оптимальных процедур неразрушающего контроля и ТД уделяется явно недостаточное внимание. Контрольно-диагностические операции следует рассматривать как важнейший, обеспечивающий качество технологический передел со всеми вытекающими из этого выводами. От правильного выбора неразрушающего контроля в большой степени зависит эффективность конечного результата — долговременная работоспособность объектов при минимальных затратах. В качестве примера можно привести широко применяющийся до сих пор метод испытания труб большого диаметра с помощью гидропрессов, для которого строят специальные цехи и многотонное испытательное оборудование.

В то же время автоматизированный ультразвуковой дефектоскоп позволяет выявить дефекты с большей досто­верностью, чем гидроиспытания, при этом затраты на контроль уменьшаются в сотни раз. Алгоритмы испытаний должна формировать диагностическая технология с тем, чтобы определить что и как следует применять. Именно технология должна минимизировать диагностические параметры, методы и средства, обеспечивающие достоверность определения аномального события.

Можно утверждать, что нет ни одного безошибочного метода контроля. Могут встречаться непредвиденные условия эксплуатации, поэтому диагностические технологии должны быть "избыточными" в отношении применения комплекса различных по физической сути методов и приемов неразрушающего контроля, которые бы дополняли друг друга для обеспечения максимальной гарантии качества изделия. 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 производства — 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.

4. ОРГАНИЗАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ И ТД.

Разработка новых машин не может не предусматривать затраты на их контрольно-диагностическое сопровождение. За технический уровень и качества отвечает главный конструктор изделия, который должен правильно сформулировать контрольно-диагностическую политику и нести за нее ответственность. Однако слабая осведомленность многих разработчиков в неразрушающем контроле и ТД приводит к созданию контроле — непригодных изделий, изделий с избыточными массами и габаритными размерами и неопределенными показателями надежности. В результате этого значительно сокращается срок жизни изделий, возникают аварийные ситуации, и необос­нованно удорожаются конструкции машин.

Необходимо предусматривать специальные материальные средства на контрольно-измерительное оборудование с выделением на них как минимум 3—7% капитальных вложений при новом строительстве и реконструкции предприятий, а также при создании новых объектов.

С целью проведения единой политики в области неразрушающего контроля и ТД 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, рентгенотелевизионными 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 неразрушающего контроля и ТД 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 неразрушающего контроля и ТД.

Член-корреспондент РАН, профессор

Клюев В.В.