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

Область техники

Изобретение относится к составу жидких индикаторных пенетрантов для цветной капиллярной дефектоскопии деталей машин, изготовленных преимущественно из олеофильных материалов и работающих в условиях интенсивных (нередко, знакопеременных) термомеханических нагрузок. Такие пенетранты предназначены для выявления, как правило, поверхностных микродефектов в произвольных трубопроводах и резервуарах, в теплоэнергетических установках и в ответственных деталях морских и речных (особенно наливных) судов, автомобилей, летательных аппаратов и 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.

Поэтому пенетранты должны:

иметь как можно более высокую проникающую способность и чувствительность, которую принято оценивать по минимальному поперечному размеру (“раскрытию”) выявляемых дефектов,

быть как можно менее склонными к воспламенению и токсичными для пользователей (и потому не требовать особых мер предосторожности при их изготовлении, фасовке, хранении, транспортировании и использовании),

практически исключать коррозию объектов неразрушающего контроля,

быть практически безопасными для природной среды и обеспечивать как можно меньшие затраты на дефектоскопию.

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

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 выявляемых 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 выявляемых дефектов этой дисперсией даже при дефектоскопии изделий из олеофильных материалов.

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

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, плохо растворимы в керосине и, взятые сами по себе, не способны проникать в полости микродефектов.

Именно поэтому они введены в описанный выше пенетрант в весьма высокой концентрации в сочетании с также дорогими ПАВ в еще большей концентрации.

Попытки удешевить и упростить жидкостную капиллярную дефектоскопию созданием и применением пенетрантов на водной основе применительно к изделиям из олеофильных материалов оказались неудачными.

Например, 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 пенетранты такого типа не нашли широкого применения из-за коррозионной активности, необходимости готовить смесь непосредственно перед нанесением на поверхность контролируемого изделия и плохого смачивания олеофильных материалов.

Далее известные пенетранты на водной основе с использованием общедоступных практически нетоксичных широко известных красителей и ПАВ не обладают чувствительностью, необходимой для неразрушающего контроля ответственных деталей машин. Так, пенетрант согласно SU 353945, в который включены (% маc.):

краситель “родамин С 2-3

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

этанол 20-25

сульфанол 2-3

пассиватор - нитрат натрия 2-3

вода до 100

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.

Даже лучший пенетрант такого рода (см. SU 539058), в который включены (% маc.):

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 до 100

позволяет выявлять поверхностные микродефекты с раскрытием не менее 3 мкм.

Однако и такая чувствительность недостаточна для эффективного контроля качества ответственных деталей. Мало того, дефекты с указанным раскрытием удается обнаруживать лишь при условии, что шероховатость поверхности R_z≤_20.

Поэтому для выявления поверхностных дефектов в изделиях из олеофильных материалов предпочтительны пенетранты на основе углеводородов и их производных.

К сожалению, “арсенал” легко растворимых в углеводородах красителей невелик, а их проникновение в полости поверхностных дефектов обычно затруднено.

Например, известны пенетранты, включающие краситель Судан-IV, давно снятый с производства из-за высокой токсичности, и огнеопасные основы в виде углеводородов с высокой температурой кипения и добавок, летучих при температуре менее 25° С.

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

Более экзотический состав того же рода 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) до 100

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

Существенно менее огнеопасен и токсичен пенетрант для жидкостной капиллярной дефектоскопии согласно RU 2136718 С1, который наиболее близок к предлагаемому далее пенетранту по технической сущности. В известный пенетрант включены (мас.%):

органический краситель “Нориол Б” 25

углеводородная основа, в которую включены:

рабочая жидкость марки РЖ-3 65

бензин марки Б-70 10

по меньшей мере одно неионогенное ПАВ 3 г/л смеси

Действительно, рабочая жидкость марки РЖ-3 представляет собою лишенный ароматических соединений (и потому практически нетоксичный) продукт глубокого гидрирования керосиновой фракции нефти с температурой вспышки 80-86° С. К сожалению, из-за присутствия в углеводородной основе летучего бензина Б-70 огнеопасность известного пенетранта остается заметной.

Однако гораздо важнее то, что несмотря на очень высокую (25% маc.) концентрацию люминесцентного красителя “Нориол Б”, который получен на основе высококипящей фракции норильской нефти, известный пенетрант не позволяет выявлять поверхностные дефекты с раскрытием менее 3 мкм.

Краткое изложение сущности изобретения

В основу изобретения положена задача заменой красителя, дополнением состава и уточнением соотношения ингредиентов создать такой пенетрант, который обеспечивал бы выявление на олеофильной поверхности дефектов с раскрытием до 0,5 мкм.

Эта задача решена тем, что пенетрант для жидкостной капиллярной дефектоскопии, содержащий углеводородную основу в виде продукта глубокого гидрирования керосиновой фракции нефти, органический краситель и по меньшей мере одно неионогенное поверхностно-активное вещество (ПАВ), согласно изобретению содержит “основной малиновый” краситель антипиринового ряда с хиноидной группой и дополнительно содержит жирную кислоту и бензилбензоат, причем указанные ингредиенты взяты в следующем соотношении (% маc.):

основной малиновый 3,0-5,0

неионогенное ПАВ 0,5-1,0

жирная кислота 10,0-15,0

бензилбензоат 5,0-10,0

углеводородная основа до 100

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 до 0,5 мкм при шероховатости поверхности R_z=20-40. Действительно, такой краситель сам по себе обладает поверхностной активностью и потому может растворяться в углеводородах. В сочетании же с жирной кислотой, неионогенным ПАВ и, дополнительно, бензилбензоатом “основной малиновый” в количестве до 5% маc. образует в углеводородной основе практически истинный раствор, способный проникать в поверхностные дефекты с указанным раскрытием. Далее коэффициент экстинкции указанного красителя не ниже 40000 при рH=(5-6). И, наконец, максимум в спектре его пропускания приходится на длину волны 510 нм. Поэтому даже при концентрации красителя в пенетранте около 3% маc. в слое проявителя в местах расположения дефектов возникают яркие малиновые пятна.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что жирная кислота выбрана из группы, состоящей из н-гексановой, олеиновой и пальмитиновой кислот. Они общедоступны и практически эквивалентны в качестве доноров олеофильных анионов, облегчающих диспергирование красителя “основной малиновый” в углеводородах и контакт с такими олеофильными поверхностями объектов контроля, на которых сохранились следы неводных смазочно-охлаждающих технологических сред или иных смазок.

Второе 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” (далее сокращенно - “ОМ”) и рациональное название “диантипирил-(4-диметиламинофенил) карбения”, 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 рН=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 рН=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 пенетрантов состоит в следующем:

а) в указанных выше 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) смешивают дозы красителя ОМ (в виде сухого карбинольного соединения), бензилбензоата, выбранной жирной кислоты и выбранного ПАВ,

г) разбавляют полученную на стадии (в) смесь указанной выше углеводородной основой и получают рабочий раствор “ОМ”.

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

Таблица 1
Составы индикаторных пенетрантов для испытанийИнгредиентыКоличество ингредиентов (% мас.) по примерам123456краситель ОМ3,04,55,03,04,55,0бензилбензоат5,06,07,08,09,010,0неионогенное ПАВнеонол0,5-----синтанол-1,00,5---ОП-7---0,750,250,25ОП-10----0,250,25кислотан-гексановая---5,0--олеиновая10,012,515,0---пальмитиновая----12,515,0углеводородная основаостальное до 100

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 2 мкм, 1 мкм и 0,5 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, 1,0 мкм и 0,5 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 тщательно очищенную от механических примесей или от остатков проявителя, который был использован в каждом предшествующем эксперименте;

каждый покрытый пенетрантом образец выдерживали в течение 5 минут, смывали избыток пенетранта водой, осушали поверхность хлопчатобумажной салфеткой и наносили проявитель в виде 10% суспензии диоксида титана в смеси ацетона и диэтилового эфира с добавкой медицинского коллодия;

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 дефектовтрещиныконтрольные течи2,01,00,51,51,00,5110/1010/1010/910/1010/1010/10210/1010/1010/1010/1010/1010/10310/1010/1010/1010/1010/1010/10410/1010/1010/1010/1010/1010/8510/1010/1010/1010/1010/1010/9610/1010/1010/1010/1010/1010/10

Промышленная применимость

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

Такие индикаторные пенетранты могут быть изготовлены произвольными партиями по заказу. Они практически безопасны в производстве, хранении и применении и могут быть использованы для надежной цветной капиллярной дефектоскопии при минимальном уровне подготовки персонала.

Для отмывки деталей от остатков пенетранта можно использовать общедоступные воду, и/или этанол и/или этиленгликоль, а для удаления проявителя - ацетон.

Изобретение относится к измерительной технике. Для выявления на олеофильной поверхности дефектов с раскрытием до 0,5 мкм пенетрант содержит "основной малиновый" краситель антипиринового ряда с хиноидной группой и дополнительно содержит жирную кислоту и бензилбензоат. Эти ингредиенты взяты в соотношении (% мас.): основной малиновый - 3,0-5,0, неионогенное ПАВ - 0,5-1,0, жирная кислота - 10,0-15,0, бензилбензоат - 5,0-10,0, углеводородная основа - до 100. Технический результат - повышение точности и чувствительности измерений. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Пенетрант для жидкостной капиллярной дефектоскопии, содержащий углеводородную основу в виде продукта глубокого гидрирования керосиновой фракции нефти, органический краситель и по меньшей мере одно неионогенное поверхностно-активное вещество (ПАВ), отличающийся тем, что он содержит "основной малиновый" краситель антипиринового ряда с хиноидной группой и дополнительно содержит жирную кислоту и бензилбензоат, причем указанные ингредиенты взяты в таком соотношении, маc.%:

Основной малиновый 3,0-5,0

Неионогенное ПАВ 0,5-1,0

Жирная кислота 10,0-15,0

Бензилбензоат 5,0-10,0

Углеводородная основа До 100