Физико-химические способы и методы контроля герметичности

Физикохимические способы и методы контроля герметичности и течеискания основаны на регистрации физических или химических параметров индикаторной жидкос

ти или газа, проникающих через неплотность; либо на индикации физикохимических реакций составов, наносимых на поверхность контролируемого объекта.

ХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ

Существует несколько модификаций химического способа течеискания в зависимости от применяемого индикаторного вещества и метода нанесения индикатора на поверхность контролируемого объекта.

В работе В. Г. Банцаревича [52] предложено при химическом способе контроля герметичности использовать реакцию аммиака с бромфенолом синим. Для приготовления индикаторного раствора однудве части бромфенола синего растворяют в 100 частях этилового спирта. К раствору добавляют 15—20 частей глицерина и тщательно перемешивают, затем добавляют по каплям 20%ный раствор сернокислого аммония до изменения окраски раствора от синего до желтооранжевого.

Для изготовления индикаторных лент используют хлопчатобумажную ткань. Ленты погружают в индикаторный раствор и пропитывают до получения равномерной окраски. Затем их отжимают и сушат на воздухе в течение 24 ч при температуре 291—298 К. Готовая индикаторная лента приобретает цвет раствора. Высушенную ленту хранят в стеклянной посуде с притертой пробкой или бумажном пакете. В качестве индикаторного газа используют 1%ную смесь аммиака с воздухом, при прохождении которой в местах течей на индикаторной ленте появляются темносиние пятна.

Возможно применение индикаторного раствора, состоящего из следующих компонентов: фенолфталеина, глицерина, этилового спирта и дистиллированной воды. Для приготовления 1 л индикаторного раствора необходимо 21 г фенолфталеина растворить в 0,1 л этилового спирта и смешать с 0,4 л дистиллированной воды, к полученному раство

ру добавить 0,5 л глицерина, тщательно перемешать смесь до исчезновения осадка. Такой индикаторный раствор сохраняет свои свойства не более трех дней. Им пропитывают фильтровальную бумагу, прикладываемую к контролируемой поверхности. В случае применения указанного раствора в качестве индикаторного газа используют 3%ную азотноаммиачную смесь. В местах неплотностей на фильтровальной бумаге образуются малиновые пятна.

тель и в него

При химическом способе течеискания для покрытия поверхности изделия, проверяемого на герметичность способом опрессовки аммиаком, можно использовать и другой пластичный, хорошо сцепляющийся с поверхностью однородный состав, который готовят с летом; добавляют в него химически чистую концентрированную фосфорную кислоту до получения кислотности раствора PH = 2...3; затем раствор заливают во вращающийся с малой скоростью смесимедленно засыпают 1 кг адсорбента (тальк,

На контролируемую поверхность смесь наносят из пульверизатора. В местах течи покрытие приобретает синефиолетовый цвет.

Химические реактивы, применяемые в настоящее время при течеискании, приведены в табл. 11.

Исследования чувствительности химического способа с применением 1?4ной воздушноаммиачной смеси и регистрацией на индикаторную ленту, пропитанную бромфе

Реактивы, применяемые для химического контроля герметичности

нолом синим, проводили на сварных соединениях с калиброванной течью с натеканием 9,31 • 10~^4ММ _с^МПа [52]. В процессе этих исследований получены зависимости величины диаметра пятна от времени выдержки индикаторной ленты над течью. Результаты исследований представлены на рис. 41.

Химическим способом течеискания с применением 3%ной азотноаммиачной смеси с регистрацией на фильтровальную бумагу, пропитанную индикаторным раствором фенолфталеина, можно выявить локальные течи до 6,66 • 10~⁴^_с — . В табл. 12 указаны цвет и ориентировочные значения диаметров пятен, фиксируемых на фильтровальной бумаге, в зависимости от величины течей.

Зависимость (ориентировочная) значения диаметра пятна от величины течи

Химические способы течеискания довольно просты, при их использовании не требуется специальное оборудование и высококвалифицированный персонал. Предельная v чувствительность, достигаемая при обычных химических способах, не выше 1,33 • 10~⁴^^м _с^МПа. Однако часто такая чувствительность оказывается недостаточной для контроля; кроме того, надежность химических способов течеискания невысока изза малой специфичности химических реакций, а также вследствие неустойчивости образующихся на индикаторе пятен. Изменение цвета индикатора может быть вызвано не только под воздействием индикаторного газа, но и ряда других веществ. Так, например, вследствие воздействия углекислоты темные пятна, образующиеся после реакции в местах течи, могут обесцвечиваться. Это, естественно, приводит к ошибкам при контроле герметичности и понижению чувствительности метода.

С помощью довольно простого приспособления можно устранить указанные недостатки и повысить чувствительность способа. Предложен способ контроля герметичности [361, в котором индикаторное вещество покрывается газонепроницаемой прозрачной пленкой. Пространство между контролируемой поверхностью и пленкой можно вакуумировать. При этом увеличиваются перепад давления по обе стороны от стенки и, соответственно, поток газа через неплотности, повышается чувствительность метода. Однако применение прозрачной газонепроницаемой пленки практически не всегда возможно, особенно при контроле сложных агрегатов и систем.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ СПОСОБ

Люминесцентный метод течеискания основан на регистрации флюоресцирующей индикаторной жидкости (индикаторного пенетранта), проникающей в полости неплотностей/при облучении ультрафиолетовыми лучами.

В основе метода лежит способность жидкостей, смачивающих стенки капиллярного отверстия, подниматься по каналу капилляра. Предельная высота, на которую поднимается жидкость в капилляре, зависит от свойств жидкости и размеров канала и определяется по формуле [55] где d — диаметр капилляра; g — ускорение силы тяжести; рж и р_г— соответственно плотность жидкости и газа, заполняющего капилляр; о — коэффициент поверхностного натяжения жидкости; 0 — краевой угол, характеризующий смачиваемость стенок капилляра жидкостью. При cos 9 < 0 жидкость не смачивает стенок капилляра и не поднимается по нему.

Время проникновения жидкости через капилляры определяется формулой Пуазейля где t — время, необходимое для проникновения жидкости в количестве, при котором обеспечивается получение достаточно яркого сигнала; У_ж — объем проникающей жидкости; L — длина капилляра; d — его диаметр; т] — вязкость жидкости; ДР — разность давлений жидкости по обеим сторонам капилляра, причем ДР 1ООр/г.

При люминесцентном методе контроля герметичности испытываемую конструкцию заполняют индикаторным пенетрантом. После выдержки конструкции в течение некоторого времени внешнюю поверхность ее облучают ультрафиолетовыми лучами. В местах негерметичности наблюдается свечение, характерное для данного пенетранта, проникающего через микротрещины и микронеплотности. О степени негерметичности можно судить по времени появления свечения в местах неплотностей или по интенсйвности свечения пенетранта.

Индикаторные пенетранты могут заполнять полости неплотностей следующими способами: капиллярным, вакуумным, компрессионным, ультразвуковым, вибрационным. При этом возможно либо самопроизвольное заполнение полости, либо интенсификация пропитки путем вакуумирования объектов контроля, воздействия повышенного давления, наложения колебаний ультразвуковой и звуковой частоты.

В некоторых случаях для извлечения индикаторного пенетранта из полости неплотности с целью образования индикаторного следа и создания фона, облегчающего визуальное восприятие изображения дефектов, применяют проявители, наносимые на контролируемую поверхность. По признаку механизма проявления индикаторных следов неплотностей проявители разделяют на: сорбционные «сухие», состоящие из сухого белого адсорбирующего порошка (например, тальк, окись магния и др.); сорбционные «мокрые», состоящие из порошка адсорбента, диспергированного в летучих органических растворителях, воде или их смесях (например, водная суспензия бентонитовой глины); диффузионные, состоящие из пигментированного или бесцветного высыхающего лака, либо густеющей органической смеси; индикаторные, содержащие ахроматические реагенты, взаимодействующие с ахроматическими пенетрантами с образованием цветных или люминесцирующих следов неплотностей.

Чувствительность люминесцентного метода в значительной мере зависит от вида индикаторного пенетранта, который обычно представляет собой раствор люминофора в индикаторной жидкости.

В табл. 13 приведены известные жирорастворимые люминофоры.

Из известных люминесцентных растворов наилучшей проникающей способностью обладают растворы на основе керосина, наихудшей — на основе воды.

Институтом органической химии АН СССР был разработан индикаторный пенетрант шубекол. Это раствор поликонденсированных ароматических систем (3,5%) в керосиногазойливой фракции. При освещении ультрафиолетовым светом с длиной волны 0,39 мкм интенсивность свечения шубекола в 3,5—4 раза выше свечения исходного керосина. Однако при растворении шубекола в керосине в промышленных условиях происходит значительное уменьшение яркости свечения. Недостаточно и время жизнеспособности пенетранта.

Общие недостатки жирорастворимых индикаторных пенетрантов следующие: желтоголубое свечение не соответствует максимальной чувствительности человеческого глаза; свечение пенетранта по цвету одинаково со всеми жировыми загрязнениями, имеющимися на контролируемой

Жирорастворимые люминофоры

поверхности, что затрудняет поиск течей изза ложных сигналов; наличие серы в составе пенетранта, что приводит к загрязнению топлива в топливных системах.

Созданный в последнее время индикаторный пенетрант ЛЖ15 на керосиновой основе с использованием в качестве люминофора неонола имеет яркое желтозеленое свечение, обладает большой проникающей способностью и не имеет в своем составе серы.

О проникающей способности индикаторных пенетрантов можно судить по коэффициенту поверхностного натяжения. Пенетранты, обладающие минимальным поверхностным натяжением, имеют максимальную проникающую способность. Поэтому при создании пенетрантов для течеискания в их состав вводят поверхностноактивные вещества, снижающие поверхностное натяжение. Люминесцентная жидкость ЛЖ14 имеет коэффициент поверхностного натяжения с? = 3,210~⁴ н/см, а керосин (топливо ТС1) — а = 2,310~⁴ н/см. До сих пор не созданы индикаторные пенетранты на водной основе, обладающие такой же проникающей способностью, как жирорастворимые люминесцентные растворы.

Чувствительность люминесцентного метода во многом зависит от правильности выбора источника ультрафиолетового излучения.

В настоящее время ряд предприятий, где применяют визуальный люминесцентный метод, самостоятельно изготовляют переносные ультрафиолетовые светильники. При этом может получиться так, что небольшие контролируемые объекты совершенно неоправданно облучаются мощными источниками типа ДРШ250, ДРШ500 и даже ДРШ1000, а крупногабаритные объекты (объемом до 10000 литров) — лампой У ФОЛА.

Наиболее рационально применять маломощные источники ультрафиолетового излучения и источники средней мощности для освещения сравнительно небольших поверхностей, имеющих хороший доступ. Для освещения крупногабаритных объектов, поверхностей с плохим доступом, а также при автоматическом контроле желательно применять мощные источники, в том числе и лазеры. При этом необходимо учитывать, что наивысшая чувствительность зрения достигается при яркостях 80—320 кд/м², что соответствует показаниям люксметра 250—1000 люкс.

С целью выяснения зависимости чувствительности люминесцентного метода от применяемого индикаторного пенетранта были проведены исследования [8] при использовании люминесцентных жидкостей ЛЖ1, ЛЖ2, ЛЖ4, АЭРО2, АЭРО4, шубекола, раствора родамина ,,С“ в изопропиловом спирте, раствора дин атриевой соли C₂₀H₁₀O₆Na₂

(уранина) в воде, раствора динатриевой соли в этиловом спирте.

В результате проведенных исследований установлено, что лучшей проникающей способностью обладают пенетранты типа ЛЖ, разработанные ВНИИ монокристаллов. С помощью этих пенетрантов можно выявить течи с величиной л по        мм³*МПа тг

натекания 1,33 • 10 ⁴. При использовании шубе

кола можно обнаружить течи с величиной натекания 1,93х X Ю ³. При помощи пенетрантов типа АЭРО течи

порядка 1,33 • 10~³——_с—— обнаруживались нестабильно. Изза большой концентрации люминофора в пенетрантах АЭРО2 и АЭРО4 происходит засорение течей, усложняется очистка объектов от пенетрантов. При использовании растворов динатриевой соли в воде и в спирте течи в 1,33 • 10~³——выявляются нестабильно.

Повышение чувствительности люминесцентного метода возможно за счет применения капиллярновакуумного способа, разработанного в Институте электросварки им. Е. О. Патона [49]. В случае применения этого способа над исследуемой поверхностью создают разрежение < 5 • 10⁴ Па в течение 5—10с. При этом в местах течей возникает результирующее давление воздуха, действующее на пенетрант в направлении выхода дефектов на поверхность. При сравнении чувствительности контроля герметичности сварных швов нахлесточных соединений стенки резервуара обычным люминесцентным и предложенным методами по количеству обнаруженных течей во втором случае было выявлено почти в 4 раза больше сквозных дефектов. Наблю= дался быстрый рост индикаторных пятен в местах дефектов, а из отдельных течей пенетрант выходил в виде тонких струек. Швы проявителем не покрывали.

Перспективным является применение люминесцентногидравлического способа, предложенного В. И. Зайцевым и др. [21]. Способ основан на применении водного раствора солей флуоресцина и позволяет совместить испытание прочности объектов с контролем на герметичность. Его чувствительность при давлении раствора более 4,9 • 10⁶ Па

Люминесцентный метод течеискания, при котором осуществляется визуальное выявление возбужденной флуоресценции в местах неплотностей, обладает рядом недостатков. При осмотре больших поверхностей изза усталости и ослабления внимания контролер может пропустить дефекты. Этот способ имеет недостаточную чувствительность вследствие низкой разрешающей способности человеческого зрения. К недостаткам его относится также и невозможность автоматизации операций осмотра и регистрации размеров течи.

Эти недостатки устранены в фотоэлектрическом люминесцентном методе контроля герметичности. При этом методе контроля герметичности в качестве первичных индикаторов лучистой энергии используют фотоэлектрические датчики, с помощью которых лучистая энергия флуоресценции преобразуется в электрическую. Фотоэлектрические датчики во много раз чувствительней самого острого зрения. Они вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные величине неплотности. Эти сигналы после соответствующего усиления могут записываться самописцами, вырабатывать звуковой сигнал или другую информацию, характеризующую герметичность контролируемого объекта.

Люминесцентный метод с использованием газа в качестве индикатора применяется фирмой «Martin Со» [58] для контроля топливных баков реактивных летающих лодок Р6М. При контроле используется закись азота, которая не воспламеняется, не вызывает коррозии материалов и не опасна для испытателей. Течеискателем служит инфракрасный анализатор, определяющий наличие закиси азота. Контролер с инфракрасным анализатором находится внутри бака, к проверяемым местам через специальную присоску и шланг подается из баллона закись азота под давлением 3,1 • 10⁴ Па. Присоска ограничивает зону распространения закиси азота. Если в баке есть течь, закись азота проникает внутрь бака и улавливается инфракрасным анализатором. Чувствительность анализатора регулируется. При наибольшей чувствительности можно обнаружить присутствие закиси азота, концентрация которой соответствует 50 частям закиси азота на 10⁶ частей воздуха. Фирма «Martin Со» считает этот способ весьма надежным и практически заменила им пневматический метод с использованием мыльного раствора.

В случае использования методов течеискания, при которых применяют приборы, повышается чувствительность и производительность контроля, возникает возможность автоматизации процесса поиска течей в контролируемых объектах.

АКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ

Акустический способ течеискания основан на индикации акустических волн, возбуждаемых при вытекании индикаторной жидкости или газа через неплотности контролируемого объекта.

Во время испытаний контролируемый объект заполняют газом (обычно воздухом) до некоторого избыточного давления. При истечении газа через неплотности его молекулы хаотически сталкиваются с менее подвижными молекулами окружающей атмосферы, в результате чего возникают механические колебания, амплитуды которых имеют максимальную величину в области ультразвуковых частот. Датчик акустического течеискателя перемещают по контролируемой поверхности, и он улавливает ультразвуковые колебания, преобразовывая их в электрический сигнал. После усиления, частотного преобразования и дальнейшего усиления в течеискателе сигнал поступает на звуковой или стрелочный индикатор.

Разработкой и изготовлением акустических течеискателей занимается ряд предприятий в СССР и за рубежом. Основные характеристики акустических течеискателей, выпускаемых ими, приведены в табл. 14.

Анализ конструкций акустических течеискателей показал, что, в основном, они изготовлены примерно по одинаковым принципиальным схемам. Приемник течеискателя улавливает ультразвуковые колебания газа, истекающего через течи, и преобразует их в электрические колебания. В качестве приемника обычно используют пьезоэлектрический микрофон, который либо размещают в корпусе течеискателя (ТУЗ2, ТУЗ5М), либо выполняют в виде выносного щупа (АТ1, АТ2), в котором смонтирован микрофон и предварительный усилитель высокой частоты, усиливающий электрические колебания по мощности и напряжению. В нем есть несколько каскадов усиления, собранных на транзисторах, поэтому коэффициент усиления можно регулировать. В преобразователе электрические сигналы детектируются по амплитуде, фильтруются и проходят согласующий каскад. Усилитель низкой частоты усиливает электрические колебания до величины, необходимой для нормальной работы индикаторного прибора и головных телефонов. В усилителе предусмотрена регулировка коэффициента усиления. Блок питания осуществляет электроснабжение всех узлов течеискателя. В нем есть аккумуляторные батареи, для подзарядки которых служит зарядное устройство.

Для выяснения возможностей течеискания с помощью серийно выпускаемого акустического течеискателя ТУЗ5М авторами были проведены испытания с применением контрольных течей и соединений трубопроводов. Для отыскания течей в труднодоступных местах и защиты от внешних помех, создающих нежелательный фон в процессе работы течеискателя, была изготовлена специальная гибкая поисковая насадка (см. рис. 42). Насадка представляет собой резиновую трубку диаметром 10 мм и длиной около 400 мм с металлическим переходником для установки на корпусе течеискателя.