ИНДИКАТОРНЫЙ ПЕНЕТРАНТ ДЛЯ КАПИЛЛЯРНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ Российский патент 2005 года по МПК G01N21/91 

Область техники

Изобретение относится к качественному и количественному составу жидких индикаторных пенетрантов для капиллярной дефектоскопии, то есть для выявления, как правило, поверхностных микродефектов в деталях машин, изготовленных преимущественно из гидрофильных материалов и работающих в условиях интенсивных и, нередко, знакопеременных (термо)механических нагрузок. Такие пенетранты могут быть применены при межоперационном и заключительном контроле качества деталей на заводах-изготовителях и при эксплуатации и ремонте трубопроводов, оборудования химических заводов и электростанций, при монтаже, обслуживании и ремонте систем водо-, газо- и теплоснабжения произвольных зданий, при постройке (изготовлении), техническом обслуживании и ремонте морских и речных (особенно наливных) судов, средств автомобильного транспорта, летательных аппаратов и многих иных изделий машиностроения.

Уровень техники

Массовая потребность в пенетрантах обусловлена:

во-первых, тем, что микротрещины, глухие поры в массивных деталях и тем более сквозные поры в трубах и резервуарах, расслоения и иные поверхностные или выходящие на поверхность микродефекты служат концентраторами напряжений в деталях машин, а потому должны быть превентивно выявлены и, по возможности, устранены;

во-вторых, тем, что по мере развития систем послепродажного обслуживания и ремонта изделий машиностроения, особенно с применением сварки и наплавки различных видов, дефекты возникают тем чаще, чем менее квалифицированы ремонтники;

в-третьих, тем, что именно капиллярная дефектоскопия в сравнении с другими средствами выявления поверхностных дефектов дает наиболее наглядные результаты и потому доступна даже для малоквалифицированного персонала.

С учетом сказанного необходимо, чтобы индикаторные пенетранты:

имели бы как можно более высокую проникающую способность и, соответственно, чувствительность, которую принято оценивать по минимально детектируемому поперечному размеру (“раскрытию”) дефектов,

были бы как можно менее склонны к воспламенению и токсичны для пользователей (и потому не требовали особых мер предосторожности при их изготовлении, фасовке, хранении, транспортировании и использовании),

практически исключали бы коррозию объектов неразрушающего контроля,

были бы практически безопасны для природной среды и

обеспечивали бы как можно меньшие затраты на дефектоскопию.

Раздельное выполнение этих требований и комбинаций некоторых из них нетрудно, ибо типовой качественный состав пенетрантов довольно давно определен и включает:

по меньшей мере один “краситель”, который при условии проникновения в полость поверхностного дефекта и последующего проявления контрастно выделяет этот дефект на фоне поверхности детали,

по меньшей мере однокомпонентную жидкую основу, которая во всех случаях служит дисперсионной средой для красителя и, хотя бы отчасти, “средством транспорта” для введения красителя вглубь детектируемых дефектов, и

по меньшей мере одно поверхностно-активное вещество (далее ПАВ) для облегчения диспергирования красителя в жидкой основе, стабилизации полученной дисперсии и облегчения смачивания стенок детектируемых дефектов этой дисперсией даже при дефектоскопии изделий из олеофильных материалов.

Классическим образцом такого состава может служить жидкий индикаторный пенетрант, который известен из GB 763885 и US 2806959. Он содержит (% мас.):

примерно 15% органорастворимых люминофорных красителей,

примерно 45% очищенного от ароматических компонентов керосина как основы и

примерно 40% органорастворимых ПАВ.

Керосин общедоступен, дешев, практически не токсичен, прекрасно смачивает металлические поверхности и легко “втягивается” в полости любых микродефектов, а потому давно и исправно служит основой многих пенетрантов для капиллярной дефектоскопии. Однако он сам по себе не может обеспечить ни контраст между зонами дефектов и остальной поверхностью контролируемых изделий, ни гарантировать получение устойчивой дисперсии (суспензии, эмульсии и, тем более, истинного раствора) красителя.

Люминофоры обеспечивают великолепный контраст, но дороги и плохо растворимы даже в керосине и сами по себе не способны проникать в полости микродефектов.

Именно поэтому в описанном выше составе они взяты в весьма высокой концентрации в сочетании с также дорогими ПАВ в еще большей концентрации.

Известны многие попытки удешевить индикаторные пенетранты применением легко растворимых в углеводородах красителей и полным исключением ПАВ. Как правило, в них использованы краситель Судан-IV, давно снятый с производства и запрещенный к применению из-за токсичности, и огнеопасные основы в виде смесей углеводородов с высокой температурой кипения и летучих даже при низкой (менее 25° С) температуре добавок.

Один из пенетрантов такого рода включает 10-15 г красителя Судан-IV на 1,0 л смеси керосина и скипидара в соотношении 80/20% мас. (см. Лабораторные работы по контролю качества сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1966, с.69).

Более экзотический состав того же рода (SU 573405) включает (% маc.):

минеральное масло 0,5-0,3

дифтордихлорметан 35,0-40,0

1-й краситель Судан-IV 0,5-1,5

2-й краситель Нигрозин 0,05-0,12

растворитель (скипидар и/или ксилол) остальное.

Очевидно, что все указанные пенетранты (и, особенно, последний) токсичны и огнеопасны и уже поэтому их применение весьма нежелательно.

Известны попытки свести огнеопасность к минимуму приготовлением пенетрантов на водной основе. Так, из SU 1679308 известен комплект материалов для капиллярной дефектоскопии, включающий набор реагентов (в частности, водный раствор подходящей соли никеля с исходной светло-зеленой окраской и нитрат натрия с добавками изопропанола и водного раствора аммиака), способный приобретать яркий розово-красный цвет.

Однако эти пенетранты не нашли широкого применения из-за коррозионной активности и необходимости готовить смесь непосредственно перед нанесением на поверхность контролируемого изделия.

Тем не менее, использование водной основы позволяет кардинально снизить огнеопасность и существенно удешевить пенетранты. Поэтому главной проблемой становится выбор подходящих нетоксичных красителей и ПАВ, способных обеспечить чувствительность к дефектам с раскрытием порядка 1 мкм.

К сожалению, пенетранты на водной основе, в которых использованы общедоступные практически нетоксичные широко известные красители, не обладают нужной чувствительностью. Так, пенетрант согласно SU 353945, в который включены (% мас.):

краситель “родамин С” 2-3

смесь “смачивателей” (ПАВ), в которую включены:

этанол 20-25

сульфанол 2-3

пассиватор-нитрат натрия 2-3 и

вода остальное,

обеспечивает выявление дефектов с раскрытием не менее 5 мкм. Это приемлемо для дефектоскопии сварных швов на изделиях, работающих при статических нагрузках в наземных условиях (например, в строительных металлоконструкциях). Однако для контроля качества изделий в химической промышленности, энергетике и транспортном машиностроении такая чувствительность явно недостаточна.

Несколько лучше наиболее близкий к предлагаемому пенетранту по технической сути индикаторный пенетрант согласно SU 539058, в который включены (% мас.):

краситель фуксин кислый 6,0-7,0

смесь “смачивателей” (ПАВ), в которую включены:

винная кислота 6,0-7,0

олефинсульфат 0,5-1,5

вода остальное.

Он позволяет выявлять поверхностные микродефекты с раскрытием до 3 мкм.

Однако, как уже было указано выше, этого недостаточно для контроля качества изделий в химической промышленности, энергетике и транспортном машиностроении. Мало того, даже дефекты с таким раскрытием удается обнаружить при условии, что шероховатость поверхности удовлетворяет жесткому условию R_z≤_20.

Краткое изложение сущности изобретения

В основу изобретения положена задача заменой красителя и ПАВ, дополнением состава и уточнением соотношения ингредиентов создать такой индикаторный пенетрант, который наряду с практической безопасностью производства, хранения и применения обеспечивал бы выявление дефектов с раскрытием около 1 мкм на грубой поверхности.

Эта задача решена тем, что индикаторный пенетрант для капиллярной дефектоскопии, содержащий водную основу, органический краситель и по меньшей мере одно поверхностно-активное вещество (ПАВ), согласно изобретению содержит “основной малиновый” краситель антипиринового ряда с хиноидной группой и неионогенное ПАВ и дополнительно содержит добавку кислоты, причем эти ингредиенты взяты в таком соотношении (% мас.):

основной малиновый 3,0-5,0

неионогенное ПАВ 0,5-1,0

кислота в количестве от слабокислого до близкого к нейтральному рН

вода остальное.

Как подтвердили описанные далее эксперименты, краситель антипиринового ряда с хиноидной группой в сочетании с другими ингредиентами в указанном соотношении гарантирует выявление поверхностных дефектов с раскрытием около 1 мкм при шероховатости R_z на уровне 30-40. Действительно, такой краситель сам по себе обладает поверхностной активностью и потому хорошо растворим в воде в количестве до 7% мас. и может проникать в поверхностные дефекты и закрепляться на их стенках даже без применения иных ПАВ. Далее, его коэффициент экстинкции не ниже 40000 уже при рН 5-6 и достигает 50000 при большей кислотности. И, наконец, максимум в спектре пропускания приходится на длину волны 510 нм. Поэтому даже при концентрации красителя в пенетранте на уровне около 3% мас. в слое проявителя в местах расположения дефектов возникают яркие малиновые пятна.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что кислота выбрана из группы минеральных кислот, состоящей из соляной и азотной кислот. Они общедоступны, при этом азотная кислота наиболее эффективна при дефектоскопии изделий из стали, алюминия и сплавов на его основе.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что кислота выбрана из группы монокарбоновых органических кислот, состоящей из муравьиной и уксусной кислот. Все они также общедоступны, а их применение позволяет снизить коррозионную активность пенетрантов даже при подкислении до рН менее 5.

Третье дополнительное отличие состоит в том, что неионогенное ПАВ выбрано из группы, состоящей из неонола, синтанола, смачивателя ОП-7, смачивателя ОП-10 или их смесей. Это позволяет выбирать наиболее доступное ПАВ при практически одинаковой эффективности капиллярной дефектоскопии.

Понятно, что при выборе конкретных вариантов состава пенетрантов возможны разные комбинации указанных дополнительных отличий с основным изобретательским замыслом, что этот замысел в пределах, очерченных формулой изобретения, может быть дополнен и/или уточнен с использованием обычных знаний специалистов и что приведенные ниже примеры никоим образом не ограничивают объем прав на основе изобретения.

Наилучшие примеры осуществления изобретательского замысла

Далее суть изобретения поясняется:

описанием способа изготовления антипиринового красителя с хиноидной группой, имеющего тривиальное название “основной малиновый” и рациональное название “диантипирил-(4-диметиламинофенил) карбения” (далее сокращенно - “ОМ”), взятого в виде подходящей соли,

примерами конкретных составов и описанием способов изготовления и практического применения индикаторных пенетрантов и

описанием методики и результатами их испытаний на стандартных образцах поверхностных и выходящих на поверхность сквозных дефектов.

Основу “ОМ” получают простым смешиванием взятых в мольном соотношении 2/1 антипирина и диметил-п-аминобензальдегида в водном растворе соляной кислоты плотностью 1,19 г/см³. Примерно через полчаса смесь разбавляют водой (не более чем в полтора раза по объему) и выдерживают при комнатной температуре не менее часа (а преимущественно до 12 часов) до выпадения розовых кристаллов. Осадок отделяют фильтрованием, как правило, промывают водой и по меньшей мере однократно перекристаллизовывают из водного раствора соляной кислоты плотностью 1,19 г/см³ с получением полупродукта в виде розоватых кристаллов двусолянокислого лейкооснования диантипирил-диметил-п-аминофенилметана (с выходом не хуже 66,5% от теоретического).

Это лейкооснование преобразуют в карбинольное соединение под действием хлорного железа. Для этого лейкооснование растворяют в обычно дистиллированной воде (в частности, в соотношении 2,6/16 кг/кг), растворяют хлорное железо также в обычно дистиллированной воде (в частности, в соотношении 2,4/18 кг/кг), при постоянном перемешивании объединяют эти растворы, нагревают смесь до температуры 80-85° С и выдерживают при этой температуре в течение примерно 1,5 часов. Далее, продолжая перемешивание, смесь охлаждают естественным путем до комнатной температуры, медленно (тонкой струйкой) добавляют в нее 15% водный раствор едкого натра до достижения рH 8-8,5, смесь выдерживают при комнатной температуре в течение 20-22 часов до выпадения осадка гидроксида железа, который отделяют фильтрованием.

Фильтрат обрабатывают 20% водным раствором едкого натра до исчезновения красной окраски (обычно до рH 9,7-10,0) и выпадения осадка карбинольного соединения “ОМ”. Для полноты осаждения массу выдерживают при комнатной температуре в течение 18-20 часов, осадок отделяют фильтрованием, по меньшей мере дважды промывают на фильтре 5% водным раствором едкого натра для удаления следов хлор-ионов, отжимают, сушат до постоянной массы при температуре 75-80° С и далее используют для приготовления пенетрантов для жидкостной капиллярной дефектоскопии.

Способ изготовления индикаторных пенетрантов состоит в следующем:

а) в указанных в сущности изобретения и далее в таблице 1 пределах соотношений ингредиентов выбирают конкретную рецептуру индикаторного пенетранта;

б) дозируют необходимые количества определенных на стадии (а) ингредиентов;

в) растворяют дозы красителя ОМ (в виде сухого карбинольного соединения) и выбранного ПАВ в существенной порции воды, подкисляют выбранной кислотой до рH 5-6 и, добавляя остаток воды, получают рабочий раствор “ОМ”.

Для экспериментальной проверки осуществимости и эффективности изобретения были изготовленны и испытаны индикаторные пенетранты, которые содержали ингредиенты в количествах, указанных в таблице 1.

Для проверки эффективности пенетрантов применяли:

а) лабораторные образцы из оловянистой латуни с хромовым гальваническим покрытием толщиной около 50 мкм, которые имели шероховатость поверхности в интервале R_z=30-40 и поверхностные дефекты с последовательно уменьшающимся раскрытием в ряду 3 мкм, 2 мкм и 1 мкм в виде трещин, полученных контролируемым изломом указанного покрытия на механическом прессе, и

б) контрольные течи в виде плотно закрепленных в металлических шайбах и калиброванных по диаметру в ряду 1,5 мкм, 1,2 мкм и 0,9 мкм стеклянных капилляров длиной не менее 30 мкм, которые служили моделями сквозных дефектов, выходящих на поверхность деталей.

Испытания проводили сериями по 10 экспериментов с каждым образцом и каждым из указанных в таблице 1 составов индикаторных пенетрантов следующим образом:

каждый испытуемый пенетрант наносили (обычно кисточкой) на поверхность образца, предварительно очищенную от механических примесей, обезжиренную ацетоном или очищенную от остатков проявителя, который был использован в каждом предшествующем эксперименте, и тщательно высушенную;

каждый покрытый пенетрантом образец выдерживали в течение 5 минут, смывали избыток пенетранта водой, осушали поверхность хлопчатобумажной салфеткой и наносили проявитель в виде 20% суспензии каолина в этаноле;

дефекты определяли по появлению малинового пятна в слое проявителя. Результаты фиксировали в виде соотношения количества экспериментов в каждой серии и количества успешных экспериментов по выявлению дефектов с известным раскрытием. Эти данные приведены в таблице 2.

Таблица 2
Результаты испытаний индикаторных пенетрантовНомера образцовТип и размеры (в мкм) детектируемых дефектов трещиныконтрольные течи 3,02,01,01,51,20,9110/1010/1010/1010/1010/1010/9210/1010/1010/1010/1010/1010/8310/1010/1010/1010/1010/1010/10410/1010/1010/1010/1010/1010/9510/1010/1010/1010/1010/1010/10610/1010/1010/1010/1010/1010/9

Анализ данных из таблицы 2 свидетельствует о высокой эффективности индикаторных пенетрантов согласно изобретению.

Промышленная применимость

Предложенные индикаторные пенетранты могут быть изготовлены произвольными партиями по заказу с применением как минеральных, так и указанных в сущности изобретения органических кислот (если потребитель потребует свести коррозионную активность пенетранта к минимуму). Они практически безопасны в производстве, хранении и применении и могут быть использованы для надежной цветной капиллярной дефектоскопии при минимальном уровне подготовки персонала.

Область использования - аналитическая химия. Для выявления дефектов с раскрытием около 1 мкм на грубой поверхности пенетрант содержит “основной малиновый” краситель антипиринового ряда с хиноидной группой и неионогенное ПАВ и дополнительно содержит добавку кислоты, причем эти ингредиенты взяты в соотношении (% мас.): основной малиновый - 3,0-5,0, неионогенное ПАВ - 0,5-1,0, кислота - в количестве от слабокислого до близкого к нейтральному рН, вода остальное. Технический результат - повышение чувствительности. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Индикаторный пенетрант для капиллярной дефектоскопии, содержащий водную основу, органический краситель и по меньшей мере одно поверхностно-активное вещество (ПАВ), отличающийся тем, что он содержит “основной малиновый” краситель антипиринового ряда с хиноидной группой и неионогенное ПАВ и дополнительно содержит добавку кислоты, причем эти ингредиенты взяты в таком соотношении, маc.%:

Основной малиновый 3,0-5,0

Неионогенное ПАВ 0,5-1,0

Кислота в количестве от

слабокислого до близкого

к нейтральному рН

Вода Остальное.