(242.09 кб)

ВИАМ/2003-203875
Радиографический контроль сотовых
конструкций
Е.И. Косарина
доктор технических наук
А.В. Степанов
Июль 2003
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «В мире
неразрушающего контроля», № 3, 2003 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Радиографический контроль сотовых конструкций
Е.И. Косарина, А.В. Степанов
Всероссийский институт авиационных материалов
The article presents the results of research in the field of composite sandwich
constructions in aircraft engines with a view to moisture and other defects
detection by means of radiographic nondestructive testing method. The authors
review ways to rate X-Ray film quality.
В современных летательных аппаратах для облегчения веса значительный
объем занимают сотовые конструкции, изготовленные из металлических и
неметаллических материалов. Под воздействием эксплуатационных нагрузок
и окружающей среды в них возникают дефекты различного характера,
снижающие технические характеристики и приводящие впоследствии к
выходу из строя авиационной техники. Наиболее характерными дефектами
являются пробоины, трещины и различного рода отслоения. Одной из
причин
образования
этих
дефектов
может
стать
наличие
влаги,
накапливающейся в сотовых панелях в процессе эксплуатации. Иногда объем
влаги, содержащейся в них, настолько велик, что полеты становятся
небезопасными из-за увеличения веса машины, кроме того, из-за перепада
давления и температуры вода разрушает сотоблоки, а с течением времени
приводит к возникновению отслоений и коррозии. Для выявления влаги
могут применяться акустический [1], термографический [2] и радиационный
виды НК.
В настоящей статье приведены результаты исследований сотовых
конструкций радиографическим методом с целью обнаружения влаги и
других дефектов, режимы контроля, чувствительность метода и способы
оценки качества получаемых рентгеновских снимков.
Радиографический
метод
контроля
основан
на
ослаблении
рентгеновского или гамма-излучения веществом контролируемого объекта
[3]. Зависимость ослабления излучения от свойств материала описывается
формулой I=I 0 е-µd, где I 0 , I – поток излучения в отсутствие и при наличии
поглотителя, соответственно; µ – коэффициент ослабления излучения
веществом поглотителя; d
толщина слоя поглотителя. Сотоблок
–
представляет собой многослойную конструкцию (рис. 1), поэтому поток
излучения за многослойным объектом – результат воздействия всех слоев
поглотителя:
I =I 0 e
-μ об d об
e
-μ зап d зап
e
-μ св d св
, где µ об , µ зап , µ св ; d об , d зап , d св –
коэффициенты ослабления и толщина обшивки, заполнителя и связующего
соответственно.
Рисунок 1. Модель сотовой панели: а – обшивка;
б – связующее (клей, припой); в – сотовый заполнитель
Заполнитель в сотоблоках представляет собой ячеистую шестигранную
структуру. На рентгеновском снимке она отображается светлым контуром.
Если заполнитель содержит в какой-либо ячейке воду, ослабление излучения
этой ячейкой будет определяться коэффициентом ослабления воды µ в и
высотой d в водяного столба в ней.
Важной
характеристикой
радиографического
контроля
является
оптический контраст К опт рентгеновского снимка (относительная разность
оптических плотностей снимка на дефектном и бездефектном участках),
который связан с контрастом скрытого радиационного изображения К рад
(относительной разностью потоков энергии излучения за дефектным и
бездефектным участками объекта контроля) и коэффициентом контрастности
у
радиографической
пленки
соотношением
К опт =γК рад .
Для
радиографических пленок, таких как D2, D4 фирмы «Agfa»; М, MX фирмы
«Kodak», γ≈4,0÷4,5.
Радиационный контраст для сотоблока, содержащего в некоторых
ячейках воду, есть К рад = (1- e -μ d )/ В , где В – дозовый фактор накопления
в в
рассеянного излучения. Для таких объектов контроля, как сотовые панели с
металлической и неметаллической обшивкой, суммарная толщина верхнего и
нижнего слоя которой обычно не превышает 4 мм, доля рассеянного
излучения пренебрежимо мала, и можно принять В=1 [4]. Для повышения
чувствительности обнаружения воды в ячейке необходимо повысить
радиационный контраст, который при µ в d в <<1 записывается в виде
К рад ≈µ в d в . Поскольку µ в зависит от энергии фотонного излучения, задача
сводится к выбору ее оптимального значения, т.е. к выбору оптимального
напряжения на рентгеновской трубке.
Минимальная разность оптических плотностей снимка, регистрируемая
глазом, составляет ∆S min =0,02 [3]. Для надежного обнаружения дефекта
зададимся значением вдвое больше: ∆S=0,04. При оптической плотности
фоновых значений S ф =1,5 Б оптический контраст составляет К опт =0,0027, и
тогда µ в d в ≈К опт /γ=0,0027/4,5=6⋅10-4, а минимальная высота обнаруживаемого
водяного столба в ячейке: d в =6⋅10-4/µ в .
Была проведена серия экспериментов в целях определения оптимальной
энергии излучения, обеспечивающей максимальный контраст скрытого
радиационного изображения при удовлетворительной производительности
контроля в условиях ремонта летательных аппаратов [5].
Экспериментальные исследования ослабления
рентгеновского излучения водой
Схема измерений показана на рис. 2. В контейнер 1 с водой, на дне
которого для устранения обратнорассеянного излучения располагался
свинцовый экран 2, помещался датчик 3 (фоторезистор) рентгеновского
экспонометра. Вольтамперная характеристика датчика, откалиброванного в
диапазоне
энергий
излучения
15–200
кэВ,
соответствовала
характеристической кривой рентгеновских пленок. Датчик был помещен в
водонепроницаемый чехол 4 толщиной порядка 0,1 мм, поэтому его
ослабляющим излучение
действием по сравнению с водой
можно
пренебречь. Контейнер с водой устанавливался перед окном рентгеновского
аппарата 5 на расстоянии 750 мм от анода рентгеновской трубки.
Рисунок 2. Схема измерений ослабления рентгеновского излучения
в зависимости от высоты Н водяного столба: 1 – контейнер с водой;
2 – свинцовый экран; 3 – датчик; 4 – чехол; 5 – рентгеновский аппарат;
6 – рентгеновский экспонометр
При изменении уровня воды в контейнере фиксировалось значение
анодного напряжения на рентгеновской трубке, при котором значение
фототока i д датчика достигало значений 20 и 40 мкА. Для радиографической
пленки типа D4 такие значения фототока датчика соответствуют 2 и 0,5 мин
экспозиции, обеспечивающей оптическую плотность рентгеновских снимков,
равную 1,5 Б. Анодный ток при этом был постоянный (10 мА). Результаты
измерений представлены в табл. 1.
Таблица. 1.
Н, см
U a , кВ
при i д =20 мкА
U a , кВ
при i д =40 мкА
Зависимость анодного напряжения от высоты Н водяного столба
0,5
1,5
2,0
4,0
5,0
7,0
8,0
10
12
19
23
26
31
34
37,5
38
43
46
22
25
25
34
37
41
41
48
52
Эксперименты по определению зависимости оптической плотности
рентгеновских снимков от высоты водяного столба при разных анодных
напряжениях проводились с использованием свинцового клина в контейнере
с водой. Радиографическая пленка без кассеты располагалась на поверхности
клина, обращенной к источнику излучения, и экспонировалась в отсутствие
света (рис. 3).
Рисунок 3. Схема измерений оптической плотности снимков
в зависимости от высоты Н водяного столба: 1 – контейнер с водой;
2 – свинцовый клин; 3 – пленка; 4 – рентгеновский аппарат
Разработка контрольных образцов и определение
чувствительности метода
Для оценки количества влаги, содержащейся в ячейках сотовых панелей,
были проведены исследования ослабления широкого пучка рентгеновского
излучения органическим стеклом, боро- и углепластиком, и проведено
сравнение
с
ослабляющими
свойствами
воды.
Получение
наиболее
контрастных рентгеновских снимков для разной толщины (0,5–5 мм) слоя
воды было зафиксировано в диапазоне энергий излучения 20–40 кэВ при
экспозициях 10–20 мА·мин. В заданном диапазоне энергий излучения
исследовалось
также
его
ослабление
различными
неметаллическими
материалами. Установлено, что наиболее близким по своим ослабляющим
свойствам является оргстекло (табл. 2). Его коэффициент ослабления
несколько ниже, чем у воды. Например, для получения оптической
плотности снимка S=(1,65÷1,75) Б при экспонировании с режимом
U a =(20÷21,5) кВ, I а =10 мА, t=2 мин необходим слой воды 0,5 мм или
пластина из оргстекла толщиной 0,5 мм; оргстекло толщиной 2,5 мм
ослабляло излучение так же, как и слой воды толщиной 2,3 мм и т.д.
Установленная экспериментально корреляция между водой и триплексом
позволила использовать оргстекло для изготовления контрольных образцов,
необходимых для количественной оценки содержания влаги в сотовых
панелях и оптимальности выбранного режима контроля.
Таблица. 2.
Толщина поглотителя, мм
вода
оргстекло
1
2
0,5
0,5
0,85
1,0
1,2
1,5
1,8
2,0
2,3
2,5
Клин
из
оргстекла,
Корреляция между водой и триплексом
Анодное напряжение, кВ
i ф =20 мкА
i ф =40 мкА
3
4
14,5
18
18
20,5
20
24
22
26
24
28,5
использованный
в
экспериментах,
имеет
максимальную высоту 10 мм, размер сечения 8×55 мм, минимальную высоту
клина 1 мм. По качеству изображения клина на рентгеновском снимке
сотовой панели, можно сделать вывод об оптимальности выбранного режима
контроля и контрастной чувствительности, при этом изображение клина на
рентгеновском снимке было полным. Были проведены исследования
оптического контраста снимков, полученных при просвечивании фрагментов
сотоблока с ячейками, заполненными водой уровнем от 0,5 до 5 мм (рис. 4).
Рисунок 4. Фрагмент сотоблока с ячейками,
заполненными водой
Минимальный уровень воды в ячейке, обнаруженный на рентгеновском
снимке, составил 1,6 мм. Затем фрагмент располагали на алюминиевом
листе, имитирующем обшивку. Толщина листа изменялась в пределах
1–3 мм, и проводилась корректировка режимов контроля. Установлено, что
контраст изображения уровня воды от 0,5 до 5 мм под алюминиевой
обшивкой падает на (10÷23)% в зависимости от общей толщины
многослойной конструкции и от толщины каждой из ее составляющих.
Исследования чувствительности контроля в экспериментах с алюминиевым
поглотителем привели к следующим результатам: при общей толщине
водяного слоя до 5 мм точность определения составила ±1 мм; а при толщине
10 мм: ±1,5 мм.
Экспериментальные исследования выявляемости различных дефектов
Для оценки выявляемости дефектов были изготовлены и исследованы
фрагменты
сотовых
панелей
с
различными
дефектами.
Образцы
представляли собой фрагменты сотоблоков размером 120×120 мм с высотой
сотового заполнителя 40 мм. Перечень образцов и описание дефектов в них
приведены в табл. 3, примеры образцов показаны на рис. 5.
Таблица 3.
Перечень образцов, содержащих дефекты
Описание дефектов
Примечание
Номер
образца
1
Непроклей между сотами и несущим слоем ∅30 мм; непроклей
между обшивкой и накладкой
2
Стык двух листов несущего слоя; непроклей между обшивкой и
накладкой
3
Стык сотоблоков; непроклей между сотами и несущим слоем в
центре образца ∅30 мм
4
Стык сотоблоков; стык двух листов несущего слоя под накладкой
5
Стык сотоблоков; заливка сот ВПЗ
6
Сильный удар в центре и образовавшаяся зона деформации
7
Слабый удар в центре
8
Трещины с разрывом угольных волокон как следствие сильного
удара
9
Без повреждений – эталон
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Образец 4
Образец 5
Образец 6
Образец 7
Образец 8
Образец 9
Рисунок 5. Примеры образцов
Рентгенографические исследования образцов (рис. 6) проводились с
использованием рентгеновской трубки (размер фокусного пятна 3,5 мм) с
диапазоном регулируемого анодного напряжения от 10 до 60 кВ при анодном
токе 20 мА и радиографической пленки D4 (коэффициент контрастности 4,5).
Расстояние до фокуса трубки во всех случаях – 1680 мм. Условия
просвечивания
и
результаты
расшифровки
рентгеновских
снимков
приведены в табл. 4.
Рисунок 6. Схема рентгенографических исследований образцов:
1 – контрольный образец; 2 – дефект; 3 – сотовая панель;
4 – рентгеновская пленка; 5 – защитный экран; 6 – источник излучения
Таблица 4.
Условия и результаты исследования образцов
Образец
Режим просвечивания
1
А) 38 кВ, 2 мин;
В, С) 58 кВ, 5 мин
2
А) 17 кВ, 2 мин;
В, С) 22 кВ, 2 мин
3
А) 18 кВ, 2 мин;
В) 22 кВ, 2 мин;
С) 24 кВ, 2 мин
А) 18 кВ, 2 мин;
В) 22 кВ, 2 мин;
С) 24 кВ, 2 мин
А) 17 кВ, 2 мин;
В) 23 кВ, 2 мин;
С) 24 кВ, 2 мин
А) 18 кВ, 2 мин;
В, С) 22 кВ, 2 мин;
D) 25 кВ, 2 мин
4
5
6
Результат расшифровки рентгенограмм
Видна граница ВПЗ; по отдельным ячейкам видны четкие
черные линии, повторяющие контур ячеек, возможно в
этих местах отсутствует сцепление ВПЗ со стенкой ячеек
На рентгенограмме А виден зазор в виде прерывистой
линии шириной 1–1,5 мм; видна пористая структура клея;
непроклей не обнаружен
Рисунок стыка виден хорошо, видно отсутствие сцепления
некоторых ячеек
Видны все соединения сот; зазор можно измерить ~1 мм
Виден стык и границы ВПЗ на всех рентгенограммах
В плоскости образца (А) слабо видна деформация сот. На
боковых проекциях (В, С) четко виден характер
деформации. При съемке под углом характер деформации
просматривается плохо
7
8, 9
А) 17 кВ, 2 мин;
В, С) 22 кВ, 2 мин;
D) 26 кВ, 2 мин
12 кВ, 1 мин
В плоскости образца (А) и в проекции (D) деформация не
обнаружена; на боковых проекциях видна деформация сот
Трещина не обнаружена, структуры материала не видно
Выводы
В результате экспериментальной работы было установлено:
– минимальный уровень воды в ячейке сотовой панели, обнаруженный на
рентгеновском снимке, составил 1,6 мм;
– контраст изображения уровня воды от 0,5 до 5 мм под алюминиевой
обшивкой падает на (10÷23)% в зависимости от общей толщины
многослойной конструкции и от толщины каждой из ее составляющих;
– чувствительность рентгенографического контроля к изменению уровня
воды с использованием аттестованного КО из оргстекла составила ±(15÷20)%
от толщины водяного слоя;
– результаты рентгенографического контроля образцов №№1–9 показали,
что в сотовых конструкциях надежно могут быть обнаружены дефекты,
связанные с геометрическими нарушениями сот и их соединений (зазоры,
отсутствие сцепления ячеек); менее надежно могут быть обнаружены
деформация сот и заполнение их ВПЗ;
–
дефекты
типа
непроклеев,
отслоений,
трещин
в
обшивке
рентгенографическим методом не выявляются.
Список литературы
1. Азаров Н.Т. Эксплуатационный УЗК содержания и определения количества воды в
клееных сотовых конструкциях самолетов. – В мире НК. 2001. №4(14). С. 24–27.
2. Вавилов В.П., Климов А.Г., Антошкин С.А., Нестерук Д.А. Тепловизионная
диагностика воды в авиационных сотовых панелях. – В мире НК. 2003. №2(20).
С. 11–12.
3. Добромыслов В.А. Радиационные методы неразрушающего контроля. – М.:
Машиностроение, 1999. – 104 с.
4. Клюев В.В., Соснин Ф.Р. Теория и практика радиационного контроля / Учебное
пособие для студентов вузов. – М.: Машиностроение, 1998. – 170 с.
5. Добромыслов
В.А.,
Косарина
Е.И.
Номограммы
для
определения
режимов
радиографического контроля трубопроводов. – Контроль. Диагностика. 2000. №4.
С. 10–13.