на применение каких методов базируется система неразрушающего контроля в рельсовой дефектоскопии
Приборы для контроля сварных стыков в рельсах: виды и характеристика ультразвуковых и магнитных устройств
К характерным дефектам стыков рельсов относятся:
Методы дефектоскопии рельсов
Неразрушающий контроль, предназначенный для выявления несплошностей и структурных неоднородностей сварных стыков в рельсах, называется дефектоскопией. Существует несколько методов дефектоскопии, основные из которых:
Исследование осуществляется с использованием ультразвуковых и магнитных приборов неразрушающего контроля.
Общие требования к приборам
Согласно нормативам, обеспечение нормальной эксплуатации дефектоскопов зависит от температуры и влажности воздуха, его загрязненности микроорганизмами, газами, пылью, а также от воздействия на приборы ударов и вибраций.
Условия эксплуатации устройств:
Дефектоскопы для контроля рельсов должны обладать устойчивостью к воздействию влажности 92-98% при температуре +35°С без конденсации влаги. Приборы необходимо защищать от пыли и воздействия влаги. Допустимое воздействие вибрации для приборов обыкновенного исполнения составляет 25 Гц при амплитуде до 0.1 мм.
Транспортировка дефектоскопов должна проводиться в упаковке. Средний срок службы составляет от 6 до 8 лет.
Ультразвуковая дефектоскопия рельсов
Метод относится к категории акустического неразрушающего контроля качества материалов и изделий. В зависимости от признаков обнаружения дефекта ультразвуковая дефектоскопия рельсов выполняется способами:
Зеркально-теневой способ основан на уменьшении амплитуды ультразвуковой волны (донного сигнала), отраженной от донной (противоположной) поверхности объекта. Этот метод не нуждается в двустороннем доступе к контрольному образцу. Чем дефект крупнее, тем слабее донные импульсы. Зеркально-теневая дефектоскопия – основной способ обнаружения вертикальных расслоений в подошве и шейке рельса. Подходит для контроля плоскопараллельных объектов.
Эхо-метод заключается в излучении в исследуемый образец кратких зондирующих ультразвуковых импульсов и регистрации отраженного от дефекта эхо-сигнала. Применение: выявление дефектов сварки и поперечных трещин в головке рельсов в процессе эксплуатации.
Ультразвуковой контроль осуществляется на рельсосварочных предприятиях (в стационарных условиях) и в пути (в полевых условиях). Ультразвуковому исследованию подвержены стыки рельсов после полной механической и термической обработки и чистовой зачистки стыка.
Температура металла в контрольной зоне составляет от 60 до 20°С. Температура окружающего воздуха – выше +10°С.
Приборы
Работа ультразвуковых дефектоскопов основана на зеркально-теневом и эхо-методе контроля.
Контроль сварных стыков рельсов может выполняться ультразвуковыми дефектоскопами с экраном (ЭЛТ – электронно-лучевой трубкой или ЖКД – жидкокристаллическим дисплеем):
Портативный прибор ДУК-66ПМ предназначен для выявления внутренних дефектов видов 26.3, 56.3, 66.3 в сварных стыках рельсов. Калиброванный регулятор чувствительности позволяет с достаточной точностью оценить и сравнить амплитуды эхо-сигналов. Координаты обнаруженных изъянов отсчитываются по электронному глубиномеру.
Технология ультразвуковой дефектоскопии
Контролируемая поверхность сварного шва подготавливается – очищается и покрывается контактирующей жидкостью. Дефектоскоп проверяется и настраивается на заданные параметры и требуемую чувствительность.
Последовательность проведения прозвучивания сварного стыка:
Магнитный метод
Магнитодинамический метод дефектоскопии сварных швов меньше привязан к внешним условиям и более прост в использовании. Подходит для применения во всех климатических зонах при любой погоде. Отличается высокой достоверностью измерений, возможностью работы на любой скорости транспортного средства.
Суть способа состоит в исследовании состояния рельсов железнодорожного пути в результате воздействия движущего источника постоянного магнитного поля (намагничивающей системы) на рельсы и выявления внутренних структурных дефектов по искажениям картины поля.
Магнитный метод сварных стыков рельсового пути заключается в устанавливании на дефектоскопическом средстве устройства, создающего в рельсе магнитное поле, перемещении дефектоскопического средства и фиксировании датчиком, скользящим по поверхности рельса, магнитного поля.
Обнаруживаются сигналы (четкие двухполярные импульсы) от зон сварных стыков рельсового пути и дефектов (поперечных и продольных трещин головки рельсов). Сохраняются их координаты. Сигналы от участков сварных стыков рельсов являются наиболее стабильными в течение большого периода времени и повторяются от проезда к проезду.
Приборы
В качестве дефектоскопического средства магнитного метода контроля сварных швов рельсов выступает вагон-дефектоскоп. Устройство МРД-66 (магнитный рельсовый дефектоскоп) предназначено для сплошного контроля рельсов в пути. Также существует совмещенный вагон-дефектоскоп с дефектоскопическим комплексом на базе магнитных и ультразвуковых методов контроля – Авикон-03.
С помощью МРД-66 выявляются поперечные дефекты в головке рельса. На тележке над каждой нитью установлены постоянные магниты, которые намагничивают рельсы в продольном направлении. Магнитное поле над головкой намагниченного рельса принимается искателем с магниточувствительным элементом феррозондового вида. Искательных устройств – два (для правой и левой нитей).
На применение каких методов базируется система неразрушающего контроля в рельсовой дефектоскопии
РЕЛЬСЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Railway rails. Non-destructive testing in operating conditions. General requirements
МКС 45.080
ОКП 092100
Дата введения 2019-11-01
Предисловие
Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»
1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом «Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии» (АО «НИИ мостов»)
2 ВНЕСЕН Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 524 «Железнодорожный транспорт»
3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 29 марта 2019 г. N 117-П)
За принятие проголосовали:
Краткое наименование страны по
МК (ИСО 3166) 004-97
Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
Госстандарт Республики Беларусь
4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 мая 2019 г. N 213-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 34524-2019 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 ноября 2019 г.
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе «Национальные стандарты«, а текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты«. В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты«. Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает требования к методам и средствам неразрушающего контроля (НК) рельсов типа Р50, Р65, Р75 по нормативному документу государств, проголосовавших за принятие настоящего стандарта, при их эксплуатации.
В Российской Федерации действует ГОСТ Р 51685-2013 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».
Настоящий стандарт не распространяется на методы и средства НК сварных стыков рельсов и рельсов, отремонтированных наплавкой.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие межгосударственные стандарты:
ГОСТ 1.0-2015 Межгосударственная система стандартизации. Основные положения
ГОСТ 1.2-2015 Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации
ГОСТ 3.1105-2011 Единая система технологической документации. Формы и правила оформления документов общего назначения
ГОСТ 12.0.004-2015 Система стандартов безопасности труда. Организация обучения безопасности труда. Общие положения
ГОСТ 12.1.001-89 Система стандартов безопасности труда. Ультразвук. Общие требования безопасности
ГОСТ 12.1.003-2014 Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности
ГОСТ 12.1.004-91 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования
ГОСТ 12.1.019-2017 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты
ГОСТ 14782-86 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые
В Российской Федерации действует ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые».
ГОСТ 15467-79 Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения
ГОСТ 16504-81 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения
ГОСТ 18353-79 Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов
В Российской Федерации действует ГОСТ Р 56542-2015 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов».
ГОСТ 18576-96 Контроль неразрушающий. Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые
ГОСТ 20911-89 Техническая диагностика. Термины и определения
ГОСТ 23829-85 Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения
ГОСТ 24450-80 Контроль неразрушающий магнитный. Термины и определения
В Российской Федерации действует ГОСТ Р 55612-2013 «Контроль неразрушающий магнитный. Термины и определения».
ГОСТ 26266-90 Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Общие технические требования
В Российской Федерации действует ГОСТ Р 55725-2013 «Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые пьезоэлектрические. Общие технические требования».
ГОСТ 33514-2015 Продукция железнодорожного назначения. Правила верификации методик неразрушающего контроля
ГОСТ 34513-2018 Система неразрушающего контроля продукции железнодорожного назначения. Основные положения
3 Термины, определения, обозначения и сокращения
3.1 В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 15467, ГОСТ 16504, ГОСТ 18353, ГОСТ 20911, ГОСТ 23829, ГОСТ 24450, а также следующие термины с соответствующими определениями:
владелец инфраструктуры: Государственная организация, юридическое лицо или индивидуальный предприниматель, имеющие инфраструктуру железнодорожного транспорта на праве собственности или ином праве и оказывающие услуги по ее использованию на основании договора.
методика неразрушающего контроля: Совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов неразрушающего контроля объекта (группы объектов) конкретного типа.
3.1.3 условная чувствительность: Чувствительность, выражаемая разностью в децибелах, дБ, между значением усиления при данной настройке дефектоскопа и значением усиления, при котором амплитуда эхосигнала от цилиндрического отражателя диаметром 6 мм на глубине 44 мм по мерам СО-2 по ГОСТ 14782 или СО-3Р по ГОСТ 18576 достигает заданного значения по оси ординат развертки типа А.
3.1.4 чувствительность: Способность метода неразрушающего контроля к обнаружению дефектов.
3.1.5 эквивалентная чувствительность: Чувствительность, выражаемая разностью в децибелах, дБ, между значением усиления при данной настройке дефектоскопа и значением усиления, при котором амплитуда эхосигнала от отражателя достигает заданного значения по оси ординат развертки типа А.
В настоящем стандарте применены следующие обозначения:
Дефектоскопические методы контроля пути
Неразрушающий контроль, выявляющий дефекты типа несплошностей и структурных неоднородностей, называют дефектоскопией. Существуют различные физические методы неразрушающего контроля, базирующиеся на проникающих полях и веществах. Эти методы разделены на десять основных видов, каждому из них и соответствующим средствам неразрушающего контроля присущи определенные параметры. Параметры, обусловливающие достоверность результатов контроля, составляют группу основных параметров. Варианты метода отличаются значениями основных параметров. В общем случае для дефектоскопии объектов могут быть применены различные методы контроля и их варианты.
Совокупность вариантов одного или различных методов, используемых по определенной программе для оценки качества конкретного объекта контроля, образует систему неразрушающего контроля. При этом важно достичь оптимального соотношения эффективности систем контроля, обеспечивающих максимально возможный полезный результат, при возможно минимальных затратах на систему. Одним из эффективных средств контроля за состоянием рельс и стрелочных переводов являются дефектоскопы, которые позволяют обнаруживать дефекты при эксплуатации. Принцип действия дефектоскопов основан на использовании магнитных и ультразвуковых методов.
Физические основы магнитных методов дефектоскопии
Скрытые дефекты в стальных железнодорожных рельсах обнаруживаются магнитными и электромагнитными методами. Для этого рельсы намагничивают электромагнитом или постоянным магнитом. Характер намагниченности рельсовых нитей, как и методы обнаружения внутренних дефектов, отличаются при разных скоростях перемещения намагничивающего поля. Для большей надежности выявления дефектов в рельсах один и тот же участок пути периодически контролируют при двух скоростях перемещения магнитного поля относительно рельса: 4 – 5 и 60 – 70 км/ч. Поэтому каждый из них может классифицироваться как метод, имеющий самостоятельное значение.
В случае перемещения магнитного поля относительно рельса со скоростью 4 – 5 км/ч условия намагничивания рельсов близки к статическим. Над головкой рельса с внутренним поперечным дефектом возникает местное магнитное поле – поле рассеяния дефекта.
Метод, основанный на индикации поля рассеяния дефекта при статическом намагничивании рельсов в пути, называется магнитным.
Перемещение магнитного поля относительно рельсов со скоростью 60 – 70 км/ч вызывает появление в них замкнутых контуров вихревых токов. Поэтому наличие дефекта приводит не только к местному изменению намагниченности рельса, но и к местному изменению в нем контуров вихревых токов и их плотности. При совместном действии этих факторов в зоне дефекта над поверхностью рельса возникает местное изменение поля – магнитодинамическое поле дефекта.
Метод дефектоскопирования рельсов в пути, основанный на индикации магнитодинамического поля, называется магнитодинамическим.
Принцип работы электромагнитного дефектоскопа для обнаружения дефектов (например, волосовин или закатов с недопустимыми размерами) основан на вихретоковом методе, при котором анализируется изменение параметров возбуждающей системы, находящейся в переменном магнитном поле при помещении ее вблизи дефекта рельса.
Магнитный метод
В основу магнитного метода обнаружения дефектов положено явление возникновения собственного магнитногополя дефектной области Нд, предварительно намагниченной детали, имеющей нормальный уровень намагниченности Но. Над головкой продольно намагниченного рельса с внутренней поперечной трещиной усталости возникает поле рассеяния дефекта. Собственное поле дефекта,пропорциональное намагниченности вещества внутри дефекта, возникаетза счёт магнитной поляризации боковых поверхностейдефекта. Дефект (трещины, полости и т.п.) представляется в форме сжатого эллипсоида, расположенного в безграничной магнитной среде. Графически это представлено на рис. 10.3.
Рис. 10.3. Схема поляризации стенок дефекта и линии поля
В среде, где действует внешнее однородное магнитное поле Но, направленное вдоль главной оси эллипсоида, дефект добавляет собственное поле, поэтому его называют полем дефекта и обозначают Нд.
В действительных условиях магнитное поле сильно сжатой поперечной трещины усталости сильно влияет на формирование поля над рабочей поверхностью головки продольно намагниченного рельса.
Наряду с магнитными зарядами, возникающими на боковых поверхностях дефекта, возможно появление магнитных зарядов в среде, окружающей дефект. Эти магнитные заряды называют объемными. Появлению объемных магнитных зарядов способствует также неоднородная намагниченность среды, находящейся в зоне дефекта.
При реализации этого метода используются различные способы намагничивания проверяемых деталей и приемы индикации поля Нд. Дефектоскопирование магнитным методом выполняется в приложенном магнитном поле. Опыт показал, что в поле с напряженностью, вполне доступной в практических условиях, уровень магнитных полей от внутренних трещин усталости средних размеров значительно выше уровня мешающих полей.Лишь при таком соотношенииуровней полей над головкой намагниченного рельса можно рассчитывать на приемлемую чувствительность магнитного метода к внутренним трещинам усталости в головке рельса. Что же касается направления приложенного поля, то для более четкого обнаружения поперечных трещин рельсы должны намагничиваться в продольном направлении.
Рельсы в пути проверяют этими дефектоскопами, не нарушая движения поездов (не занимают перегон, а в случае прохождения поезда дефектоскоп снимают с рельсов). Дефектоскоп для намагничивания рельсов имеет постоянные магниты. Между полюсами магнитов в головке рельсов различ-ных типов создается продольное поле со средней напряженностью 8 – 10 А/см. Измерение уровня сосредоточенного поля Но, созданного предварительным намагничиванием, выявляют искателями. Простейший искатель представляет собой многовитковую катушку с сердечником или без него. Если такая катушка с намагничивающим устройством дефектоскопа перемещается над рабочей поверхностью головки рельса, то на участке с полем Нд на ее зажимах появится импульс электродвижущей силы. В практике широкое распространение получили искатели, в которых магниточувствительным элементом служат феррозонды.
Феррозондом называется устройство, чувствительное к внешним магнитным полям, постоянным или медленно изменяющимся. Действие феррозондов основано на использовании нелинейного характера процесса намагничивания сердечника при взаимодействии в нем двух магнитных полей – внешнего измеряемого (постоянного) и некоторого вспомогательного (переменного). Существует несколько разновидностей феррозондов. Рельсы дефектоскопируют наиболее простым типом феррозонда с одним прямым сердечником и одной обмоткой, которая одновременно служит для возбуждения вспомогательного переменного поля и измерения ЭДС на выходе феррозонда.
Этот метод используется для скоростного дефектоскопировапия рельсов, лежащих в пути. Постоянное магнитное поле перемещается относительно рельса со скоростью 60 – 70 км/ч. Оно возбуждается П-образными электромагнитами – по одному на каждую рельсовую нить пути. Намагничивающие обмотки электромагнитов подключены к источнику постоянного тока. Между полюсами движущегося электромагнита и рабочей поверхностью рельса есть воздушные зазоры 8 – 10 мм. Полюсные магнитные потоки (рис. 10.4) частично рассеиваются, а в рельсе разветвляются на две части – межполюсную и заполюсную.
Рис. 10.4. Схема разделения магнитного потока в рельсе на две части –
межполюсную и заполюсную
Для обнаружения дефектов в рельсах используется межполюсной магнитный поток, составляющий примерно 60 % общего магнитного потока электромагнита. Характерные свойства магнитодинамического метода, в основном, обусловлены особенностью намагничивания рельсов в движущемся поле электромагнита. Магнитный поток, возникающий в рельсе в зоне влияния одного из полюсов движущегося электромагнита, возрастает, а в зоне влияния другого полюса убывает.
Этот непрерывный процесс перемагничивания рельса полем движущегося электромагнита связан с явлением гистерезиса и образованием вихревых токов. Дефект в виде поперечной трещины в головке рельса служит препятствием для продольной составляющей вихревых токов. Трещины изменяют контуры замкнутых вихревых токов и уменьшают их плотность. В зоне дефекта это приводит к изменению магнитного поля вихревых токов внутри головки рельса и над ее поверхностью. Местное изменение поля вихревых токов над рабочей поверхностью головки рельса представляет собой вихретоковую составляющую магнитодинамического поля дефекта. При низких скоростях движения, когда интенсивность наводимых в рельсе вихревых токов невелика, определяющее значение в формировании магнитодинамического поля дефектов имеет фактор намагниченности. С увеличением скорости движения растет интенсивность наводимых в рельсах вихревых токов, повышается их роль в формировании магнитодинамических полей дефектов, что сказывается на их значении и форме.
Обнаружение дефектов в металлических деталях вихретоковым методом базируется на законе электромагнитной индукции. Рассматривая вихретоковый метод, следует иметь ввиду, что переменное поле, даже при относительно небольшой частоте, проникает только в поверхностный слой детали. По закону электромагнитной индукции в поверхностном слое металлавозникнут вихревые токи, замкнутые контуры их охватывают линии переменного магнитного поля. Вихревые токи, как и всякие электрические токи, создают свое магнитное поле, которое, в отличие от поля катушки, вторично. По правилу Ленца вторичное переменное поле в каждый момент времени противоположно первичному, то есть противодействует ему.
Взаимодействие поля вихревых токов (вторичного поля) с полем катушки (первичное) изменяет ее электрические параметры. Увеличиваются потери энергии на нагревание детали вихревыми токами и возрастает активное сопротивление катушки. В зависимости от материала (магнитный или немагнитный), в котором возбуждаются вихревые токи, возрастает или уменьшается индуктивное сопротивление катушки. Следовательно, уровень вихревых токов в контролируемой детали косвенным образом может быть установлен по изменению электрических параметров намагничивающей катушки.
Трещина или другой дефект, нарушающие сплошности поверхностного слоя металла, – препятствие для вихревых токов (рис. 10.5). Оно оказывает действие, аналогичное резкому уменьшению электрической проводимости металла, что отражается на электрических параметрах намагничивающей катушки.
Рис. 10.5. Распределение вихревых токов в контролируемом изделии
а – на участке без дефектов; б – на участке с поперечной трещиной
Изменение электрических параметров намагничивающей катушки зависит от электрической проводимости и магнитной проницаемости металла, над который устанавливается катушка, от частоты намагничивающего тока, толщины слоя металла под катушкой. Чем больше электрическая проводимость металла и частота тока, тем в большей степени изменяются параметры катушки. Вместе с этим, чем больше частота тока и электрическая проводимость металла, тем меньше глубина проникновения вихревых токов.
Так как контролируется только слой металла, прилегающий к поверхности детали, то для обнаружения трещин с минимальной глубиной залегания используют достаточно большую частоту для того, чтобы глубина проникания вихревых токов не превышала долей миллиметра. Недостаток метода при накладной намагничивающей катушке – большая чувствительность к изменению расстояния между катушкой и поверхностью детали. Поэтому наличие промежуточных слоев (окисные пленки, защитные покрытия и др.), неровности на поверхности испытуемой детали существенно изменяет электрические параметры намагничивающей катушки. Среди других известных схем практическую ценность для дефектоскопирования токовихревым методом представляет схема с двумя катушками — намагничивающей и измерительной. Катушки жестко связаны и в целом представляют устройство, напоминающее обычную катушку накладного типа. На поверхности металлической детали, при установке на ней такого устройства, возникают вихревые токи. Витки намагничивающей катушки охватывают результирующий поток, вызванный взаимодействием намагничивающего поля и поля вихревых токов. Система, состоящая из двух катушек, как и мостовая, позволяет дефектоскопировать на основании значения и фазы ЭДС в измерительной катушке. Опыт показал, что при контроле изделий из ферромагнитных материалов токовихревыми системами накладного типа могут возникать помехи, снижающие надежность выявления недопустимых дефектов. Помехи наблюдаются, главным образом, в местах, где нарушена структура металла, например из-за обезуглероженности или наклепа. То и другое приводит к заметным изменениям электрических и ферромагнитных свойств металла. Применительно к контролю изделий из ферромагнитных металлов более надежный способ отстройки от помех, вызванных структурнойнеоднородностью материала, – использование особенностей, возникающих в результате воздействия трещины на распределение вихревых токов в металле. Целесообразно в связи с особенностями вихретокового поля в зоне трещины применять токовихревую систему, вытянутую вдоль трещины. Измерительная катушка системы, ориентированная на вертикальную составляющую поля, должна быть встроена в сердечник намагничивающей катушки и иметь небольшие размеры в поперечном к трещине направлении.
Магнитодинамические поля дефекта определяют искателем. В условиях перемещения электромагнита относительно рельса в качестве искателя может служить многовитковая катушка без магнитного сердечника. Катушку устанавливают в полюсном пространстве электромагнита и вместе с ним перемещают над рабочей поверхностью головки рельса.